Училище за наука, инженерство и технологии, Университет Абъртей, Дънди, DD1 1HG Великобритания

Кореспонденция на: D. I. G. Green, School of Science, Engineering and Technology, Abertay University, Dundee DD1 1HG, UK. E-mail: [email protected] Потърсете още статии от този автор

Институтът за изследване на шотландското уиски, Research North Avenue, Riccarton, EH14 4AP UK

Институтът за изследване на шотландското уиски, Research North Avenue, Riccarton, EH14 4AP UK

Институтът за изследване на шотландското уиски, Research North Avenue, Riccarton, EH14 4AP UK

Институтът за изследване на шотландското уиски, Research North Avenue, Riccarton, EH14 4AP UK

Училище за наука, инженерство и технологии, Университет Абъртей, Дънди, DD1 1HG Великобритания

Училище за наука, инженерство и технологии, Университет Абъртей, Дънди, DD1 1HG Великобритания

Кореспонденция на: D. I. G. Green, School of Science, Engineering and Technology, Abertay University, Dundee DD1 1HG, UK. E-mail: [email protected] Потърсете още статии от този автор

Институтът за изследване на шотландското уиски, Research North Avenue, Riccarton, EH14 4AP UK

Институтът за изследване на шотландското уиски, Research North Avenue, Riccarton, EH14 4AP UK

Институтът за изследване на шотландското уиски, Research North Avenue, Riccarton, EH14 4AP UK

Институтът за изследване на шотландското уиски, Research North Avenue, Riccarton, EH14 4AP UK

Училище за наука, инженерство и технологии, Университет Абъртей, Дънди, DD1 1HG Великобритания

Резюме

Въведение

Агу и др. 2 изследва ефекта от условията на освобождаване и разграждане на нишестето и установява, че пшеницата може да доведе до значително по-висок добив на спирт, когато се обработва при по-ниска температура от 85 ° C, в сравнение с по-високите температури на готвене, необходими за други зърнени култури, като царевица, които обикновено произвеждат максималният му добив на алкохол при преработка при много по-високи температури (обикновено 142–145 ° C). Това наблюдение беше в съгласие с други изследвания, фокусирани върху производството на биоетанол 20-22. Тези изследвания потвърдиха, че процедурата за преработка трябва да бъде съобразена с използваните зърнени култури. По-ниската температура на обработка на пшеницата също понижава вискозитета на остатъка, което създава проблеми при възстановяването на последващите дестилерийни копродукти 2. По-високият вискозитет на пшеницата се дължи отчасти на наличието на високи нива на пентозан (8% w/w) в сравнение с по-ниски нива (3% w/w) в царевица, сорго и просо 23. По-специално пентозани като арабиноксилани и други полимери като βИзвестно е, че глюканите причиняват проблеми с обработката 24-29 .

Настоящото проучване е предприето, за да се изследват ефектите от условията на процеса и помощните средства за обработка на ензими върху максимизиране на добивите на алкохол от пшенично и царевично нишесте и лигноцелулоза (под формата на отработени зърнени храни).

Материали и методи

Проби от зърнени култури

Проби от зърнени култури (пшеница и царевица) са получени от два източника: (I) мека пшеница с ниско съдържание на азот (cv Viscount) от пробно място за производство на пшеница за оценка на производството на шотландско зърнено уиски; и (II) търговска проба от жълта царевица (не е посочен сорт), получена от дестилерия на зърнени култури от шотландско уиски.

Добив на алкохол от пшенични и царевични брашна (процес 142 ° C)

Добив на алкохол от пшенични и царевични брашна (процес 85 ° C)

Процедурата е подобна на описаната по-горе, с изключение на това, че стъпката на готвене под налягане, при която суспензията се прехвърля в автоклава, както и втората обработка с Termamyl, е заобиколена.

Добив на алкохол от отработени зърна от пшеница и царевица (процес 142 ° C)

Процедурата е подобна на тази, описана по-горе за зърненото брашно, с изключение на това, че зърнените зърнени храни (30 g) се суспендират с подкиселена вода (0,005 m H2SO4; 130 ml, а не 81 ml дестилирана вода, както е описано по-горе) и 25 μL на Termamyl 120L тип L (бактериален αАмилаза, доставена от Novozymes France S.A.). Суспензията се нагрява до 85 ° С преди готвене под налягане в автоклав при 142 ° С за 15 минути. Сготвената суспензия се прехвърля във водна баня с температура 85 ° C и се извършва втора обработка с Termyl (25 μL) в продължение на 30 минути, за да се предотврати ретроградирането на нишестето, след което кашата след това се прехвърля във водна баня при 65 ° C и се инкубира за 1 h с добавяне на 25 μL всеки от търговските ензими Bioglucanase ME 250, Bioprotease NL 100 и Promalt 4TR (доставени от Kerry Bioscience Ltd). Скоростта на дозиране за всички ензими е показана в Таблица 1. След охлаждане до стайна температура, кашата се добавя с дестилаторна мая и след това се ферментира, както е описано по-рано. Добивът на алкохол също се определя от алкохолната сила на дестилата, както е описано по-горе.

Име Тип Извлечен организъм Дозировка Оптимално рН Оптимална температура Дейности Доставчик
Термамил 120L Топлоустойчив αАмилаза Bacillus licheniformis 25 μL 5,2–6,0 80–85 ° C Хидролиза 1,4‐α гликозидни връзки в амилоза и амилопектин Novozymes France S.A.
Promalt 4TR α- Амилаза Bacillus subtilis и Trichoderma reesei 25 μL 5,0–7,5 55–65 ° C Активен при зърнени култури с висок бета глюкан Kerry Bioscience Ltd
Биопротеаза N100L Протеолитичен ензим Bacillus subtilis 25 μL 5,5–6,0 45–53 ° C Произвежда високи нива на FAN Kerry Bioscience Ltd
Биоглюканаза ME 250 Ендо-бета глюканаза Penicillum emersonni и Bacillus subtilis 25 μL 5,0–6,5 50–65 ° C Хидролиза 1,4 и 1,3 глюкозидна връзка, открита в бета глюкан Kerry Bioscience Ltd

Реологични свойства на отработените зърна с помощта на бърз виско-анализ

Физиологичните свойства на отработените зърна са изследвани с помощта на Newport Scientific Rapid Visco Analyzer (RVA) инструмент, доставен от Calibre Control. RVA е ротационен, непрекъснато записващ вискозиметър, с възможности за нагряване, охлаждане и променлива срязване, специално конфигуриран за материали на основата на нишесте. Целта беше да се потвърди, че в отработените зърна присъства ограничено или никакво нишесте, а добивът на алкохол се получава от отработените зърна. Суспензия от мляно отработено зърнено зърно (приблизително 3,0 g отработено зърно и измерено количество вода или киселина общо тегло 28 g) с вода или 0,005 m сярна киселина (H2SO4) е обработена в анализатора на RVA с помощта на програма, разработена за несъцветен зърнени култури 1, 31 .

Резултати и дискусия

Резултатите, показани в таблици 2 и 3, проверяват прецизността и устойчивостта на готвач с висока температура под налягане за определяне на добива на алкохол от зърнени култури. Резултатите, представени в таблици 2 и 3, са получени, когато мелницата Miag е зададена на 2 (0,2 mm), за да се получи фино смляно брашно от зърнените култури. Таблица 2 показва резултатите, получени при обработката на пшеница и царевица при по-висока температура от 142 ° C. Това представлява традиционният високотемпературен процес, използван за производството на зърнено уиски. Таблица 3 показва резултатите, получени при обработката на същите проби от пшеница и царевица при по-ниска температура от 85 ° C, което представлява потенциален начин за намаляване на енергийните нужди за процеса. Добивът на алкохол, получен от всяка от зърнените култури, е възпроизводим, независимо дали зърнените култури са били обработени при 142 ° C или 85 ° C и потвърждават надеждността и стабилността на метода.

Пшеница (cv Виконт)/царевица (неуточнен сорт) Добив на алкохол (LA/t) сух Среден добив на алкохол (LA/t) сух
Пшеница 1 448,7
Пшеница 2 449.4
Пшеница 3 448.1
Пшеница 4 445,0
Пшеница 447,8
Царевица 1 463.1
Царевица 2 465,5
Царевица 3 464.9
Царевица 4 463.2
Царевица 5 461.7
Царевица 463.7
Пшеница (cv Виконт)/царевица (неуточнен сорт) Добив на алкохол (LA/t) сух Среден добив на алкохол (LA/t) сух
Пшеница 1 459.1
Пшеница 2 454.3
Пшеница 3 459,7
Пшеница 457,7
Царевица 1 443,0
Царевица 2 441.1
Царевица 3 441.4
Царевица 4 441.1
Царевица 441.7
Добив на алкохол (LA/t) сух 142 ° C 85 ° C
Пшеница изразходвани зърнени култури 36.1 84.9
Царевица изразходвани зърна 43.6 17.6

Когато общият добив на алкохол от царевично брашно и отработени зърна, преработени при 142 ° C, общият добив на алкохол е по-висок от този за пшеничното брашно и отработените зърна (фиг. 1), с около 24 LA/t. Това предполага, че високата температура освобождава нишестето по-ефективно от царевичното ядро ​​(ендосперм), отразявайки обикновено по-високото съдържание на нишесте в царевицата. Добре известно е, че царевицата изисква по-енергични условия за преработка за оптимални резултати в дестилационната промишленост, докато пшеницата се нуждае от по-малко тежки условия за ефективно извличане и разтваряне на нишестето. Отново, както и неговото нишесте с по-висока температура на желатинизация в сравнение с пшеницата, царевицата може да бъде склонна към развитие на устойчиво нишесте по време на обработката. За разлика от това, температурата на желатинизиране на пшеничното нишесте е много по-ниска 1, 2, 23 .

алкохол

Етап на добавяне на ензим Концентрация на киселина Добив на алкохол (LA/t) сух
Горе по течението 0,005 m H2SO4 8.3
Надолу по течението 0,005 m H2SO4 23.5
Горе и надолу по течението 0,005 m H2SO4 18.5
Горе по течението 0,05 m H2SO4 0,00
Надолу по течението 0,05 m H2SO4 1.5
  • Предварително готвене = гореща пара; след приготвяне = надолу по течението.
  • а Двойна концентрация.
Добив на алкохол (LA/тон) сух Добив на алкохол (LA/тон) сух 142 ° C температура на готвене 85 ° C температура на готвене Проба Фракция Брашно Изхарчено зърно Общо Брашно Изхарчено зърно Общо
Пшеница 460.1 15.1 475.2 449,0 11.7 460,7
Царевица 474.1 16.3 490.3 429,7 8.2 438,0

Важно е да се установи, че алкохолът, получен от отработени зърна от преработена пшеница и царевица, не е произведен от остатъчно нишесте. За да се потвърди това, свойствата на залепване на отработените зърна бяха анализирани с помощта на RVA, използвайки 0,005 m H2SO4, който ще освободи някои ферментиращи не-нишестени полизахариди 32. Резултатите, получени за отработените зърна от царевица, са показани на фиг. 2 и 3 за житни отработени зърна. И двата RVA профила показват, че пиковият и крайният вискозитет са били фактически нулеви, което показва липсата на скорбялни материали след обработката. Тези резултати потвърждават, че допълнителните добиви на алкохол, получени от зърнените зърнени храни, получени от лигноцелулозни захари, получени след предварителна обработка с разредени киселини.