Дослідження динаміки активності ферментного препарату а-амілази в процесі розрідження

Fermentation of starch-containing raw material in the alcohol production is limited by rapidity of enzymohydrolysis dextrins, on what the alcohol productivity depends from tons of raw material. Different by nature constituents of starch - amylose and amylopectin with different hydrolysis rate of amylases and need the different set of amylolytic enzymes. The aim of work is research of dynamics of activity of enzyme preparation a-omylase in the process of dilution of starch-containing raw material on the example of corn. The object of study is the dissolution stage in the process of enzymatic hydrolysis of corn starch. Subject of research - corn, enzyme preparation of a-amylase, carbohydrate composition of the medium. The research methods generally accepted in the alcohol industry were used, the activity of a-amylase was determined by colorimetric method. The results of the study showedy, that in 30 minutes of hydrolysis activity of a-Qmylase goes down on 6% at the end of dilution process her activity folds only 19% initial. It is set that the basic amount of foods of starch hydrolysis appears for the first hour of dilution - almost 41% of the entered starch. Extending the process to three hours contributes to a slight increase in sugar production. Thus the amount of glucose as finish good of hydrolysis of starch presents the 16,7-19,1% of sugars only. The dynamics of sugars formation is investigational during the enzyme hydrolysis of starch depending on the amount of the added diluting enzyme. Certainly, that the optimal dose a-amylase is 1,5one/g of starch, 12,3 g of sugars appear after that makes 23% of the entered starch, that is to the almost complete saccharification of amylose. It is set that on the dissolution stage of starch carbohydrate composition of mash is presented by a maltose and maltodextrins (3,5-3,9 g/100sm3), and content of glucose is considerably less -1,18 g/100 sm3. The basic amount of sugars appears for the first hour of duration. The research results will be used to develop an effective scheme for the hydrolysis of mash biopolymers by enzymes of the amylase complex at the dissolution stage of raw materials starch

Keywords: corn, starch, hydrolysis, enzyme preparation, a-amylase, enzyme activity, glucose, sugars

Постановка проблеми

препарат а-амілаза розрідження кукурудзи

Технологічна платформа виробництва етилового спирту з крохмалевмісної сировини базується на трьох окремих взаємозв'язаних стадіях:

- ферментативне розрідження крохмалю з руйнуванням 1-4 глюкозидних зв'язків амілази, ферментативний гідроліз 1-6 глюкозидних зв'язків амілопектину до зброджуваних цукрів (глюкози);

- культивування виробничих дріжджів;

- технологія спиртового бродіння.

Зброджування крохмалевмісної сировини у виробництві етилового спирту лімітується швидкістю ферментативного гідролізу декстринів, від чого залежить вихід етилового спирту з тонни сировини.

Крохмалі, отримані з різних джерел сировини (картопля, кукурудза, рис, пшениця тощо), розрізняються за формою і розмірами, співвідношенням і хімічною структурою молекул амілози і амілопектину [ 1].

Різні за природою складові крохмалю - амілоза і амілопектин з різною швидкістю гідролізуються амілазами і потребують неоднакового набору амілолітичних ферментів. Зокрема, для гідролізу амілози достатньо альфа-амілази, яка розчеплює 1,4 - зв'язок (рис. 1), а для гідролізу амілопектину, крім a-амілази необхідні ферменти, що каталізують гідроліз a-1,6 - глюкозидиних зв'язків, тобто глюкоамілаза або декстриназа (рис. 2).

Ефективність гідролізу крохмалю в процесі сухого подрібнення кукурудзи є визначальним фактором загальної конверсії крохмалю в етанол.

В роботах Gantis Murthy at el. (2011) [2], D. Apar and B. Ozbek. (2004) [3] для моделювання структури та гідролізу крохмалю було розроблено модель, на якій досліджували ступінь гідролізу крохмалю та залишкову активність а-амілази в порівнянні із змінними процесу, а саме: рН, температуру, в'язкість, швидкість робочого колеса, час обробки та додані матеріали. Результати показали, що кінетика гідролізу крохмалю є складним процесом і залежить від властивостей субстрату, його однорідності та від комбінованої активності a-амілази та глюкоамілази.

Дослідженнями утворення цукрів упродовж трьох годин реакції в ході гідролізу крохмалю кукурудзи встановлено зміну швидкості перебігу процесу гідролізу крохмалю ферментними препаратами [4, 5]. Висока швидкість гідролізу подрібненої кукурудзи зберігається до 15 хвилин, після цього швидкість характеризується відносно повільнішим утворенням глюкози, яка є інгібітором ферментного препарату .

В літературі багато наукових праць присвячено питанню гідролізу крохмалю синергічною дією амілази та глюкоамілази [6, 7]. При низькому вмісті вологи напруга зсуву, що необхідна для повного розчинення кукурудзяного крохмалю, є настільки високою, що не можна уникнути значної інактивації ферментів, що призводить до необхідності відокремлення розчинення крохмалю та його розрідження у двох окремих стадіях обробки. Утворення побічних продуктів, переважно ізомальтози та ізомальтотріози, збільшується зі збільшенням вмісту сухої речовини в субстраті. Проводились дослідження одночасного процесу оцукрювання та бродіння (SSF) нативного крохмалю з кукурудзяного борошна за допомогою Saccharomyces cerevisiae та гранульованого ферменту гідролізу крохмалю [8]. Була отримана максимальна концентрація етанолу 110,36 г/л для нативного кукурудзяного крохмалю із застосуванням концентрації затору 25%, що призвело до виходу етанолу 85,71%. Оптимальні умови для вищевказаного виходу були знайдені при дозі ферменту 2,05 мл/кг та рН 5,0.

Водночас, до цього часу не проводились поглиблені дослідження кінетики розріджування крохмалевмісної сировини в залежності від різного дозування амілолітичного ферментного препарату.

Метою роботи є дослідження динаміки активності ферментного препарату а- амілази в процесі розрідження крохмалевмісної сировини на прикладі кукурудзи. Об'єктом досліджень є процес ферментативного гідролізу крохмалю кукурудзи. Предмет дослідження - кукурудза, ферментний препарат a-амілази Tegamil HS, вуглеводний склад середовища.

Матеріали та методи. В роботі використовували загальноприйняті в спиртовій промисловості методи досліджень [9, 10, 11, 12]. Для визначення умовної крохмалистості зерна використовували поляриметричний метод (метод Еверса) [9,11,12].

Вміст вологи зерна - вологоміром РМ, вміст вологи помелу - шляхом висушування [12], ступінь подрібнення - на лабораторному млині шляхом просіювання через сито з діаметром вічок 1мм. Активність а-амілази визначали колориметричним методом за СОУ 15.9-37-241:2005 [13]. Динаміку гідролізу крохмалю за кількістю утворених цукрів визначали методом високоефективної рідинної хроматографії ВЕРХ на хроматографі Shimadzu Lab Solutions.

Для проведення досліджень використовували традиційну для спиртової галузі сировину - кукурудзу. Сусло концентрацією 26-28% СР готували з подрібненої кукурудзи з дисперсністю 100% проходу через сито з діаметром отворів 1мм, змішуючи її з водою у співвідношенні 1 : (2,3-2,5). Гідроліз крохмалю здійснювали комерційними ферментними препаратами: а-амілази (MEGA TA-18 виробництва Peli Bio-Chem Technology (Shanghai) Co) з витратами 0,5; 1; 1,5; 2,0 од. активності на 1 г крохмалю за температури 92-93°С упродовж трьох годин з визначенням погодинно кількості моно- і дицукрів.

Результати досліджень

Таблиця 2Динаміка активності а-амілази в процесі розрідження сусла