vguitВестник Воронежского государственного университета инженерных технологийProceedings of the Voronezh State University of Engineering Technologies2226-910X2310-1202VSUET10.20914/2310-1202-2020-3-131-138vguit-2566Research ArticleПищевая биотехнологияFood biotechnologyОптимизация водно-тепловой обработки ячменного замеса в производстве этанолаOptimization of water-heat treatment of barley batch (mix) in ethanol productionАгафоновГ. В.AgafonovG. V.

Dr. Sci. (Engin.), fermentation and sugar production technologies department, Revolution Av., 19 Voronezh, 394036, Russia

noreplay@elpub.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3531-3811КовалеваТ. С.KovalevaT. S.

ведущий инженер, кафедра биохимии и биотехнологии, пр-т Революции, 19, г. Воронеж, 394036, Россия

lead engineer, biochemical department, Revolution Av., 19 Voronezh, 394036, Russia

tanyakova2501@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-3246-6628ЯковлевА. Н.YakovlevA. N.

к.т.н., кафедра технологии бродильных и сахаристых производств, пр-т Революции, 19, г. Воронеж, 394036, Россия

Cand. Sci. (Engin.), fermentation and sugar production technologies department, Revolution Av., 19 Voronezh, 394036, Russia

vip.alex2702@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5989-0752МуравьевА. С.MuravevA. S.

к.т.н., отдел СМ, пр-т Революции, 19, г. Воронеж, 394036, Россия

Cand. Sci. (Engin.), SM department, Revolution Av., 19 Voronezh, 394036, Russia

hntrun@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3686-9966ЯковлеваС. Ф.YakovlevaS. F.

к.т.н., кафедра биохимии и биотехнологии, пр-т Революции, 19, г. Воронеж, 394036, Россия

Cand. Sci. (Engin.), biochemical department, Revolution Av., 19 Voronezh, 394036, Russia

svetlana.yakovleva.68@mail.ruВоронежский государственный университет инженерных технологийVoronezh State University of Engineering Technologies202017092020823131138Copyright © Агафонов Г.В., Ковалева Т.С., Яковлев А.Н., Муравьев А.С., Яковлева С.Ф., 20202020Агафонов Г.В., Ковалева Т.С., Яковлев А.Н., Муравьев А.С., Яковлева С.Ф.Agafonov G.V., Kovaleva T.S., Yakovlev A.N., Muravev A.S., Yakovleva S.F.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnik-vsuet.ru/vguit/article/view/2566

Ячмень является проблемным сырьем для переработки в этанол. Это связано с его химическим составом. Высокое содержание ?-глюканов и пентозанов повышает вязкость массы и потери перевариваемых углеводов на стадии водно-тепловой обработки. Ферменты, используемые для предварительной обработки зерна перед ферментацией, традиционно являются ?-амилазами и глюкоамилазами. Цель работы – определить оптимальное соотношение ферментов, вносимых в различные периоды водно-тепловой обработки. Объектом исследования являлся ячмень: крахмал 52, белок 11,5, гемицеллюлозы 5,1, ?-глюкан 3,9, влажность 14,0. Применяли ферментные препараты Alphaferm 3500L (0,5–1,0 АС/г крахмала), ViscoStar 150L (3700 ед. КС/см3; 140 ед.?–ГкС/см3; 1900 ед. КМЦ/см3.), Prolive BS Liquid (600–750 ед. ПС/см?). Исследована динамика изменения вязкости в процессе водно-тепловой обработки. Установлено, что на массовую долю сухих веществ в фильтрате ячменного замеса наибольшее влияние оказывает дозировка ферментного препарата Alphaferm 3500L, меньшее и близкое по значению влияние – дозировка других ферментных препаратов и продолжительность эксперимента. Показано, что применение мультиферментного комплекса снижает вязкость на 82% по сравнению с контролем. Для определения оптимального режима водно-тепловой обработки был использован метод неопределенных множителей Лагранжа. Установлено, что максимальное накопление сухих веществ в смеси составляет 16,4% и достигается через 2,5 часа при следующих дозах ферментных препаратов: Alphaferm 3500 L – 0,6 ед. АС/г крахмала; ViscoStar 150L – 0,025 ед. ГкС/г крахмала; Prolyve BS Liquide 0,25 ед. ПС/г крахмала.

Barley is a problematic raw material for ethanol processing due to its chemical composition. ?-glucans and pentosans high content increases the mass viscosity and digestible carbohydrates loss at еру water-heat treatment stage. The enzymes used to pre-treat grain prior to fermentation are traditionally ?-amylases and glucoamylases. The purpose of the work is to determine the optimal ratio of enzymes introduced in different periods of water-heat treatment. The object of study was barley: starch 52, protein 11.5, hemicellulose 5.1, ?-glucan 3.9, moisture 14.0. Enzyme preparations Alphaferm 3500L (0.5–1.0 AC / g starch), ViscoStar 150L (3700 units KS / cm3; 140 units ? – GcS / cm3; 1900 units CMC / cm3.), Prolive BS Liquid (600-750 units PS / cm?) were used in the work. The dynamics of viscosity change in the process of water-heat treatment was investigated in the work as well. It was found out that the dosage of the enzyme preparation Alphaferm 3500L has the greatest effect on the mass fraction of dry substances in the filtrate of barley mix, while the dosage of other enzyme preparations and the duration of the experiment have a smaller and similar effect. It was proved that the application of a multienzyme complex reduces the viscosity by 82% compared to the control. The method of indefinite Lagrange multipliers was used to determine the optimal mode of water-heat treatment. It was found out that the maximum accumulation of dry substances in the mixture is 16.4% and is achieved after 2.5 hours with the following doses of enzyme preparations: Alphaferm 3500 L - 0.6 units. AC / g starch; ViscoStar 150L - 0.025 units GCS / g starch; Prolyve BS Liquide 0.25 units PS / g starch.

ячменьвязкостьоптимизацияэтанолводно-тепловая обработкаbarleyviscosityoptimizationethanolwater-heat treatmentReferencesFood and Agriculture Organisation of the United Nations (FAO). URL: http://www.fao.org/faostat/en/#data/QCFood and Agriculture Organisation of the United Nations (FAO). Available at: http://www.fao.org/faostat/en/#data/QCKim S., Dale B. E. Global potential bioethanol production from wasted crops and crop residues // Biomass Bioenerg. 2004. V. 26. P. 361–375.Kim S., Dale B.E. Global potential bioethanol production from wasted crops and crop residues. Biomass Bioenerg. 2004. vol. 26. pp. 361–375.Наумкин Д. В., Сидоренко В. С. Определение химического состава биомассы у сортов ярового ячменя // Фундаментальные основы управления продукционным процессом для повышения экономической и энергетической эффективности АПК. 2019. С. 83-85.Naumkin D.V., Sidorenko V.S. Determination of the chemical composition of biomass in spring barley varieties. Fundamental principles of production process management to improve the economic and energy efficiency of the agro-industrial complex. 2019. pp. 83-85. (in Russian).Weiss W.P., Erikson D.O., Erikson M., Fisher G.R. Barley distillers grains as a protein supplement for dairy cows // J. Dairy Sci. 1989. V. 72. P. 980–987.Weiss W.P., Erikson D.O., Erikson M., Fisher G.R. Barley distillers grains as a protein supplement for dairy cows. J. Dairy Sci. 1989. vol. 72. pp. 980–987.Otles S., Cagindi O. Cereal-based functional foods and nutraceuticals // Acta Sci. Pol. Technol. Aliment. 2006. V. 5. P. 107–112.Otles S., Cagindi O. Cereal-based functional foods and nutraceuticals. Acta Sci. Pol. Technol. Aliment. 2006. vol. 5. pp. 107–112.Georg-Kraemer J.E., Mundstock E.C., Cavalli-Molina S. Developmental expression of amylases during barley malting // J. Cereal Sci. 2001. V. 33. P. 279–288.Georg-Kraemer J.E., Mundstock E.C., Cavalli-Molina S. Developmental expression of amylases during barley malting. J. Cereal Sci. 2001. vol. 33. pp. 279–288.Thomas K.C., Ingledew W.M. Relationship of low lysine and high arginine concentrations to efficient ethanolic fermentation of wheat mash // Can. J. Microbiol. 1992. V. 38. P. 626–634.Thomas K.C., Ingledew W.M. Relationship of low lysine and high arginine concentrations to efficient ethanolic fermentation of wheat mash. Can. J. Microbiol. 1992. vol. 38. pp. 626–634.Park J.T., Rollings J.E. Effects of substrate branching characteristics on kinetics of enzymatic depolymerization of mixed linear and branch polysaccharides. I. Amylose/amylopectin-amylolysis // Biotechnol. Bioeng. 1994. V. 44. P. 792–800.Park J.T., Rollings J.E. Effects of substrate branching characteristics on kinetics of enzymatic depolymerization of mixed linear and branch polysaccharides. I. Amylose/amylopectin-amylolysis. Biotechnol. Bioeng. 1994. vol. 44. pp. 792–800.Wang P., Singh V., Xue H., Johnston D.B. et al. Comparison of raw starch hydrolyzing enzyme with conventional liquefaction and saccharification enzymes in dry-grind corn processing // Cereal Chem. 2007. V. 84. P. 10–14.Wang P., Singh V., Xue H., Johnston D.B. et al. Comparison of raw starch hydrolyzing enzyme with conventional liquefaction and saccharification enzymes in dry-grind corn processing. Cereal Chem. 2007. vol. 84. pp. 10–14.Яковлев А.Н. и др. Применение мультиэнзимного комплекса при получении этилового спирта из проблемного сырья // Вестник ВГУИТ. 2012. № 3. С. 148-152.Yakovlev A.N. et al. The use of a multi-enzyme complex in the production of ethyl alcohol from problematic raw materials. Proccedings of VSUET. 2012. no. 3. pp. 148-152. (in Russian).Яковлев А.Н. и др. Влияние мультиэнзимной композиции на процесс брожения ржаного сусла // Производство спирта и ликероводочных изделий. 2013. № 3. С. 26-28.Yakovlev A.N. et al. Influence of multi-enzyme composition on the fermentation process of rye wort. Production of alcohol and alcoholic beverages. 2013. no. 3. pp. 26-28. (in Russian).Толгурова А.А., Хоконова М.Б. Научно-технологические аспекты ресурсосберегающей технологии в спиртовом производстве // Сельскохозяйственное землепользование и продовольственная безопасность. 2018. С. 170-174.Tolgurova A.A., Khokonova M.B. Scientific and technological aspects of resource-saving technology in alcohol production. Agricultural land use and food security. 2018. pp. 170-174. (in Russian).Зуева Н.В. и др. Выбор ферментных препаратов и температурно-временных режимов водно-тепловой и ферментативной обработки при разработке комплексной технологии переработки зернового сырья // Вестник ВГУИТ. 2019. Т. 81. №. 1 (79).Zueva N.V. et al. Selection of enzyme preparations and temperature-time modes of water-heat and enzymatic treatment in the development of a comprehensive technology for processing grain raw materials. Proccedings of VSUET. 2019. vol. 81. no. 1 (79). (in Russian).Полонский В.И. и др. Оценка содержания антиоксидантов в зерне ячменя и овса на основе его физических показателей // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. 2016. № 8.Polonsky V.I. et al. Evaluation of the content of antioxidants in barley and oats based on its physical parameters. Bulletin of the Krasnoyarsk state agrarian University. 2016. no. 8. (in Russian).Jeon H. et al. Improvement of the Bioethanol Productivity from Debranned Barley // Transactions of the Korean hydrogen and new energy society. 2018. V. 29. №. 6. P. 648-653.Jeon H. et al. Improvement of the Bioethanol Productivity from Debranned Barley. Transactions of the Korean hydrogen and new energy society. 2018. vol. 29. no. 6. pp. 648-653.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.