1. Įvadas
Krakmolas yra puiki žaliava fermentacinei pramonei, kuriai priskiriama spirito ir jo gaminių, alaus, vyno, organinių rūgščių, cukrų sirupų, mielių gamyba. Plačiausią pritaikymą jis įgavo spirito ir cukrų sirupų gamyboje.Spiritas (etilo alkoholis) pradėtas gaminti jau XII amžiuje, distiliujant vyną. Iki XV amžiaus jis buvo naudojamas kaip vaistas ir tik vėliau pradėtas naudoti įvairių produktų gamybai. Spirito pramonė gamina žalią ir rektifikuotą spiritą, kuris naudojamas kaip žaliava ar pagalbinė medžiaga daugelyje gamybos šakų. Chemijos pramonėje spiritas naudojamas sintetiniam kaučiukui, etilo eteriui, etilo acetatui, etilo laktatui, acetaldehidui, etileno chloridui, švino tetraetilui, etilenui, chloroformui ir kitiems produktams gaminti. Be to pastaruoju metu spiritas vis plačiau naudojamas motoriniam kurui, sumaišius jį su kitais skysčiais (benzolu, benzinu), ir kaip antifrizas – automobilių ir aviacijos variklių cilindrams aušinti.Spiritas plačiai naudojamas kaip tirpiklis, kolodijumo, bedūmio parako, dirbtinio pluošto, nerūdijančio stiklo, fotografijos, popieriaus filmų ir lakų gamyboje. Taip pat kaip tirpiklis jis plačiau naudojamas vaistų gamyboje ir parfumerijos pramonėje. Kaip dezinfekavimo ir konservavimo priemonė spiritas taikomas medicinoje.Maisto pramonėje spiritas naudojamas alkoholiniams gėrimams gaminti, įvairioms esencijoms, eteriniams aliejams ištirpinti ir kt. Dėl to, vystantis įvairioms pramonės šakoms, turi būti plečiama spirito gamyba, naudojant nemaistines žaliavas – sintetinio spirito gamyba iš dujų, gaunamų perdirbant naftą.Išsivysčiusiose šalyse nuo 60 –tųjų metų pabaigos buvo pradėta orientuotis nuo cukraus naudojimo į jo analogų -cukrinių krakmolo produktų –panaudojimą. Tarp daugelio cukraus pakaitalų, naudojamų maisto pramonėje užsienyje, gliukozės – fruktozės sirupas yra vienas iš labiausiai perspektyviausių. Šis produktas savo savybėmis (saldumu, maistine verte ir kt.) konkuruoja su cukrinių runkelių ir cukranendrių cukrumi. Gliukozės – fruktozės sirupo gamyba yra efektyvesnė, nei cukrinių runkelių cukraus, nes reikalingos mažesnės darbo sąnaudos žaliavų (pagrinde kukurūzų) užauginimui bei jas galima visus metus perdirbinėti, kartu gaunant papildomus šalutinius produktus (kukurūzų aliejų, pašarus), kurie veringesni nei cukrinių runkelių perdirbimo atliekos (melasa, išspaudos). Rudenį galima perdirbti žaliavą ir pagaminti krakmolą, kuris saugant negenda, todėl galima visus metus naudoti krakmolą sirupo gamybai. Gliukozės – fruktozės sirupą galima gaminti bet kuriame rajone, šalia produkto vartotojo – pagrinde maisto pramonės įmonių. Iš kukurūzų ir bulvių gaunama daugiau cukraus nei ių cukrinių runkelių: 65 % cukraus, esančio cukriniuose runkeliuose panaudojama cukrui gaminti, o 90% krakmolo iš kukurūzų ir 85 % iš bulvių panaudojama sirupui gauti.
2. Krakmolas. Jo sudėtis ir hidrolizė
Krakmolas (C6H10O5)n randamas įvairiose augalų organuose ir yra jų atsarginė maistingoji medžiaga. Daugiausia krakmolo susikaupia gumbinėse daržovėse, grūduose. Bulvėse 75% sausujų medžiagų sudaro krakmolas, o grūduose – 55 – 80%. Daugelyje vaisių ir daržovių tėra apie 1% krakmolo. Krakmolas karštame vandenyje kleisterizuojasi (sudaro koloidinius tirpalus).Augalų ląstelėse krakmolas išsidėstęs įvairios formos ir įvairaus dydžio grūdeliais, kurie būdingi kiekvienos rūšies augalui. Didžiausi krakmolo grūdeliai ( 100 mkrm ir didesni) yra bulvėse, vidutinio dydžio (70 – 20 mkrm) – grūduose (rugiuose, kviečiuose, miežiuose) ir patys mažiausi ( 15 –2 mkrm) ryžiuose.Ne tik skirtingų, bet ir tų pačių augalų krakmolo grūdeliai būna labai įvairaus dydžio. Grūdelių stambumas priklauso nuo daugelio veiksnių: augalo amžiaus (kai sintetinamas krakmolas), krakmolo sintezės vietos ir t.t. Su grūdelių dydžiu susijusios ir kai kurios krakmolo savybės. Paprastai didesni grūdeliai kleisterizuojasi žemesnėje temperatūroje, greičiau pereina į tirpaus krakmolo būvį, yra atsparesni salyklo fermento amilazės veikimui, negu smulkūs grūdeliai.Krakmolo grūdeliai yra kristalinės struktūros.Jie yra sudėti iš dviejų skirtingų polisacharidų: amilozės, sudarančios vidinę grūdelio dalį, ir amilopektino, sudarančio grūdelio apvalkalą. Amilozės tėra iki 25% viso amilopektino kiekio. Šie polisacharidai skiriasi vienas nuo kito savo struktūra ir savybėmis Amilozės molekulė yra ilgos neišsišakojusios grandinės (kartais susuktos į spirales) pavidalo ir sudaryta iš 200 – 1000 gliukozės likučių, sujungtų gliukozidiniu ryšiu. Jos molekulinė masė yra 32 000 – 160 000. Kiekviena spiralės pilna apvija susideda iš šešių gliukozės likučių. Spiralės viduje gali būti kitų medžiagų molekulių (vandens), kurios jungiasi su gliukozės likučiais cheminiu arba adsorbciniu ryšiu.Amilopektino molekulės yra šakotos ir jas galima palyginti su ‘mikromedžiu’, išsišakojusiu į įvairias puses. Jo molekulės grandinėje yra sujungta 600 – 6000 gliukozės likučių. Amilopektino molekulinė masė svyruoja nuo pusės miliono iki miliono.Virinant su praskiestomis rūgštimis, krakmolas hidrolizinasi į pirminius monomerus – D- gliukozę, o veikiant fermentams (salyklo amilazei) – jis verčiamas maltoze.Kadangi amilozės ir amilopektino molekulių struktūra yra skirtinga, jų savybės yra nevienodos. Šaltame vandenyje abi šios molekulės netirpsta. Karštame vandenyje amilozė tirpsta, sudarydama skaidrų koloidinį tirpalą, o amilopektinas – tik išbringsta. Taigi kleisteris susidaro, šildant krakmolaą su vandeniu, iš amilopektino. Kleisterizuojantis krakmolui, pirmiausia pradeda bringti grūdeliai, paskui amilopektino apvalkalėlis susproginėja, ir amilozė pradeda tirpti. Įvairių rūšių krakmolo kleisterizacijos temperatūra nevienoda. Lengviausiai kleisterizuojasi rugių krakmolas ( 50 –56 0 C temperatūroje), po to kviečių (54 – 62 0 C), toliau bulvių (59 –64 0 C), ryžių (65 –73 0 C) ir kukurūzų ( apie 80 0 C).
Jodo tirpalas amilozę nudažo mėlyna, o amilopektiną -violetine spalva.Hidrolizė vyksta palaipsniui per tarpinius junginius – dekstrinus. Skirtingai nuo krakmolo dekstrinai tirpsta šaltame vandenyje ir lengviau hidrolizinasi, negu krakmolas.Atsižvelgiant į struktūros sudėtingumą, dekstrinai skirstomi : kelias grupes: amilodekstrinus (jodo tirpalas juos nudažo taip kaip krakmolą), eritrodekstrinus (jodo tirpalas juos nudažo raudonai), achrodekstrinus (jodo tirpalas jų nedažo).Krakmolo grūdeliai yra smulkiai poringos struktūros, todėl jie pasižymi hidrofiliškumu ir adsorbciniu pajėgumu. Makromolekulių hidroksilinėms grupėms rišantis su vandeniu, krakmolas gali suimti iki 85% vandens.2. Spirito gamyba iš krakmolingos žaliavos
Spiritui gaminti iš krakmolingos žaliavos fabrikuose priimta technologinė schema (pav 1):
Krakmolinga žaliava
Žaliavos paruošimas
Žaliavos šutinimas
Krakmolo sucukrinimas
Sucukrintos masės rauginimas
Spirito distiliavimas
Žalias spiritas
Spirito valymas
Rektifikuotas spiritas
Technologinė schema pavaizduota (pav 2)
1,7 – elevatoriai, 2 – plovykla, 3 – magnetinis separatorius, 4 – surinktuvas, 5 – dozatorius, 6 – plaktukinis malūnas, 8 – automatinės svarstyklės, 9 – smulkintuvas, 10 – maišytuvas – prieššutintuvas, 11, 22 – plunžeriniai siurbliai, 12 – kontaktinė galvutė, 13,14 –šutinimo kolonos, 15 – lygio reguliatorius, 16 – garo separatorius, 17 – savaiminio išgarinimo kamera, 18 – vakuumo siurblys, 19 – sucukrintuvas, 20, 24, 26,27 – bosai, 21 – akmenų gaudyklė, 23 – vamzdinis šilumokaitis, 25 – raugintuvai, 28, 30 – siurbliai, 29 – spirito gaudyklė, 31 – raugalo kolona, 32 – epiuracijos dalis, 33 – epiuracijos kolona 34, 35 – rektifikacijos kolonos, 36, 39 – deflegmatoriai, 37 – putų gaudyklė, 38 – separatorius, 40 –kondensatorius, 41 – šaldytuvas, 42 –žlaugtų reguliatorius, 43 – rūšiuotuvas.
Grūdai elevatoriumi 1 pakeliami magnetiniame separatoriuje 3 išvalomos iš jų metalinės priemaišos. Paskui jie patenka į surinktuvą 4. Automatiniu dozatoriumi 5 grūdai tiekiami smulkinimui į plaktukinį malūną 6. Susmulkinti grūdai patenka į maišytuvą – prieššutintuvą 10, sumaišomi su vandeniu ir mišinys pašildomas antriniu garu iki 70 –80 0 C temperatūros. Perdirbimui bulvės plaunamos plovykloje 2. Elevatoriumi 7 bulvės pakeliamos į automatines svarstykles 8 ir patenka į smulkintuvą 9. Maišytuve – prieššutintuve 10 bulvės pašildomos iki 40 –50 0 C temperatūros. Mišinys plunžeriniu siurbliu 11 varomas iš prieššutintuvo į pirmo laipsnio šutinimo koloną 13. Kontaktinėje galvutėje 12 mišinys pašildomas iki 100 0 C temperatūros. Šutinama masė praeina antro laipsnio šutinimo kolonas 14 ir per lygio reguliatorių 15 patenka į garo separatorių 16. Šutinama aparate 140 –142 0 C temperatūroje 40 – 45 min.102 0 C temperatūros šutinta masė iš garo separatoriaus patenka į savaiminio išgarinimo kamerą 17, kurioje sudaromas 80 – 87 kPa slėgis. Savaime išgaruojant drėgmei, masė ataušta iki 62 –63 0 C temperatūros ir pilama į sucukrintuvą 19. Krakmolas sucukrinamas salyklo arba pelėsių grybelių fermentais tiekiamais iš bosų 20. Sucukrinta masė per akmenų gaudyklę 21 siurbliu 22 varoma į vamzdinį šilumokaitį 23, kuriame ataušinama iki rauginimo temperatūros. Rauginama tolydiniu – sroviniu būdu. Mielių bosuose 24 paruoštos mielės patenka į raugintuvus 25, o iš čia jos patenka į pagrindinio rauginimo bosus 26, kuriose masė tolygiai aušinama. Rauginama masė vamzdžiais teka į bosus 27 ir siurbliu 30 varoma distiliuoti. Iš rūgimo metu išsiskyrusių angliarūgšties dujų spiritas atskiriamas spirito gaudyklėje 29. Spiritas iš raugalo išdistiliuojamas, ir žalias spiritas išvalomas tolydiniame raugalo distiliavimo aparate, kurį sudaro keturios kolonos: raugalo kolona 31 su epiuracijos dalimi 32, epiuracijos kolona 33 ir rektifikacijos kolonos 34 ir 35.Prieš raugalo koloną raugalas pašildomas deflegmatoriuje 36, praeina separatorių 38 ir patenka ant raugalo kolonos epiuracijos dalies viršutinių lėkščių. Raugalo kolonoje išskirtas spiritas praeina putų gaudyklę 37 ir patenka į pirmą rektifikacijos koloną 34. Žlaugtai iš raugalo kolonos išteka pro žlaugtų reguliatorių 42. Dalis vandens garų kondensuojasi deflegmatoriuje 39. Ir kondensatoriuje gautas skystis patenka į epiuracijos koloną 33. Išvalius priemaišas, epiuratas patenka į antrą rektifikacijos koloną, kurioje išvalytas spiritas ataušinamas šaldytuve 41 ir pro rūšiuotuvą 43 varomas laikymui. Žaliavos paruošimas. Spirito fabrike žaliava ruošiama skirtingai. Bulvės ir šakniavaisiai plaunami, kartais ir smulkinami. Iš grūdų išvalomos dulkės, pašalinės bei metalinės priemaišos ir jie susmulkinami.
2.1 Salyklo paruošimas
Salyklu vadinami dirbtinėmis sąlygomis (esant tam tikrai temperatūrai ir drėgmei) sudaiginti grūdai. Gaminant salyklą, stengiamasi grūduose sukaupti kuo daugiau aktyvių fermentų, ypač amilolitinių, taip pat ir proteolitinių bei kitų fermentų. Veikiant amilolitiniams fermentams, augalinės žaliavos krakmolas hidrolizuojamas, verčiamas į rauginamą cukrų – maltozę. Salyklui gaminti vartojami miežiai, rugiai, avižos ir soros, pasižymintys geru daigumu (ne mažesniu kaip 96%). Jo gamybos technologinis procesas susideda iš trijų stadijų: 1) grūdų valymo ir rūšiavimo 2) grūdų mirkimo 3) daiginimo. Gautasis pusgaminis – žaliasis salyklas – spirito gamyboje vartojamas krakmolui sucukrinti.2.1.1 Grūdų valymas ir rūšiavimas
Salyklui iš grūdų gerai išvalomos priemaišos ir grūdai surūšiuojami separatoriais, magnetiniais aparatais, trijeriais ir sietinėmis rūšiavimo mašinomis.
2.1.2 Grūdų mirkimas
Normalaus (iki 14%) drėgnumo grūduose drėgmė yra surištame būvyje. Jos tepakanka grūdų gyvybingumui palaikyti. Gyvybiniai reiškiniai grūduose vyksta, esant laisvosios drėgmės pertekliui. Pagrindinės sąlygos grūdams daiginti yra pakankama drėgmė, atitinkama temperatūra ir deguonis. Mirkytuose grūduose drėgmės turi būti 42 – 46%. Didėjant grūdų drėgmei, daug energingiau grūdai kvėpuoja ir daugiau sunaudoja deguonies. Mirkant 1 kg grūdų, jie sugeria 63 mg deguonies ir išskiria 86 mg anglies dioksido dujų. Jeigu viename litre vandens ištirpę 9 – 10 mg deguonies, tai šio kiekio grūdams kvėpuoti tepakanka 15 min, nes į 1 kg grūdų pilama 1,7 l vandens. Trūkstant vandenyje deguonies, prasideda anaerobinis kvėpavimas. Šio kvėpavimo metu susidarę produktai yra ląstelių nuodai, kurie stabdo normalius gyvybinius procesus, ardo audinių struktūrą, sukelia jų autolizę. Dėl to, grūdus mirkant, jie dirbtinai aeruojami.
Svarbiausias veiksnys, turintis įtakos mirkymo greičiui, yra vandens temperatūra. Kuo vanduo aukštesnės temperatūros, tuo greičiau jis prasiskverbia į grūdus. Grūdai, mirkomi 20 0 C temperatūroje, tą pačią drėgmę pasiekia du kartus greičiau, negu tada, kai jie mirkomi esant 10 0 C temperatūrai. Mirkymo greičiui turi įtakos ir vandens kietumas. Kietesniame vandenyje grūdai mirksta ilgiau. Paprastai grūdai mirkomi 7 mg – ekv/l kietumo vandenyje, esant 20 0 C temperatūrai.Grūdus mirkant, nuo jų paviršiaus nusiplauna nešvarumai – organinės ir neorganinės medžiagos, ir tokiame vandenyje gali vystytis mikroorganizmai. Dėl to, gerai nuplovus grūdud, nešvarus vanduo tuojau pat nuleidžiamas. Grūdai mirkomi rezervuaruose, kurie vadinami mirkymo bosais. Tai cilindriniai būgniniu dugnu indai, kuriuose yra priemonės šviežiam vandeniui tiekti, aeruoti, grūdams maišyti ir išmesti. Atsižvelgiant į vartojamo vandens temperatūrą, skiriama šaltas (temperatūra žemesnė kai 10 0 C), normalus (10 – 15 0 C), šiltas (20 – 40 0 C) ir karštas (50 – 55 0 C) mirkymas. Daugiausia mirkoma normalioje (10 – 15 0 C) temperatūroje. Pirmiausia mirkymo bosas iki 2/3 tūrio pripildomas vandens ir, tolydžiai maišant, pilami grūdai. Vandens lygis virš grūdų turi būti 10 – 15 cm. Pirmojoje mirkymo stadijoje grūdai plaunami. Tam tikslui po 1 – 2 h vanduo nuleidžiamas. Po to grūdai gerai nuplaunami. Nuplauti grūdai palaikomi be vandens, kad išsiskirtų anglies dioksido dujos. Paskui pusę laiko grūdai laikomi vandenyje ( šlapiasis mirkymas) ir pusę laiko be vandens (sausasis mirkymas). Tai kartojama kas 3 –6 val. Kas 30 min. Tiek šlapiojo tiek sausoojo mirkymo metu pro grūdų sluoksnį 3 – 5 min leidžiamas suslėgtas oras. Dezinfekcijai į antrojo mirkymo vandenį pridedama 300 – 400 g chlorkalkių (skaičiuojama 1 t grūdų). Spiritui gaminti miežiai mirkomi 10 – 14 h, rugiai – 6 – 8 h. Mirkant grūdus tolydinėje vandens – oro srovėje, į mirkimo bosą tolydžiai tiekiamas oro deguonies prisotintas vanduo. Taip mirkant grūdai greičiau išmirksta ir sudygsta.2.1.3 Grūdų daiginimas
Grūduose didelė dalis fermentų yra ląstelės protoplazmos adsorbuoti ir esti neaktyviame, profermentų būvyje. Fermentuojant svarbiausi salyklo fermentai yra alfa – amilazė ir beta – amilazė. Alfa – Amilazė iš dalies išsilaisvina iš profermentų. Be to, ji sintetinama iš naujo. Šis fermentas pradeda veikti trečią ketvirtą daiginimo parą ir aktyviausias yra septintą parą, kai daiginama 18 – 20 0 C temperatūroje. Beta – amilazė pereina į aktyvų būvį, kai ją adsorbavusius baltymus suskaldo proteolitiniai fermentai. Proteolitinių fermentų aktyvumas padidėja apie 4 kartus. Apie 7 – 10 kartų padidėja aktyvumas fermento fosfatazės, kuris skaldo organinius fosforo junginius. Maltazės, skaldančios maltozę iki gliukozės, aktyvumas padidėja du kartus. Salykle taip pat yra fermentų: oksidazių, peroksidazių, katalazių.Fermentų susidarymas priklauso nuo fiziologinių dygimo procesų. Jiems reikalingod tos pačios sąlygos: vanduo, deguonis ir optimali temperatūra. Grūdams dygstant, apie 20 – 25% krakmolo virsta cukrumis, iš kurių 9 -11% eina kvėpavimui, 3 – 4 % – šaknelėms ir daigams susidaryti, o 8 – 12 % lieka salykle ir suteikia jam saldoką skonį. Pagrindinis procesas dygimo metu yra kvėpavimas. Jis vyksta, viekiant oksidazėms. Dalis angliavandenių hidrolizės produktų iš dalies oksiduojasi. Ir susidaro rūgštys: oksalo, citrinos, obuolių, pieno, gintaro, skruzdžių, acto, propiono.Salyklo fermentų aktyvumui didelę įtaką turi daiginimo temperatūra. Paprastai salyklo kokybė apibūdinama amilolitiniu aktyvumu. Kai salyklas ilgai (ki 16 parų) daiginamas 14 _16 0 C temperatūroje, susikaupia daugiausia amilolitinių fermentų ir dekstrinazių, tačiau daiginimas ilgai trunka. Trumpai daigintame salykle yra mažiau dekstrinazės. Dėl to spiritui gaminti miežių salyklas daiginamas 10 parų, rugių – 7 – 8 paras laipsniškai žeminant temperatūrą nuo 22 –23 iki 14 – 15 0 C.Salyklas daiginamas salyklidėse, kurios skirstomos į dvi grupes: 1) grendymines ir 2) pneumatines.Grenyminių salyklidžių viduje yra lygi cementuota aikštelė grūdams daiginti. Patalpa yra 3 – 3,5 m aukščio ir 1 m įgilinta į žemę, todėl joje palaikoma vienoda temperatūra. Langų plotas sudaro tik 2 – 2,5% grendymo ploto. Jų stiklai daromi matiniai arba mėlyni, kad į patalpą nepatektų tiesioginė saulės šviesa. Optimaliam daiginimo režimui pasiekti salyklidėse palaikoma 10 – 12 0 C oro temperatūra. Grūdams dygstant, išsiskiria daug šilumos ir anglies dioksido dujų. Dėl to salyklidėje yra ventiliacijos kanalai orui keisti.Mirkyti grūdai, skirti spiritui gaminti, daiginami ant grendymo 60 – 70 cm aukščio krūvose. Kai krūvose temperatūra pakyla iki 24 0 C, jos pasklaidomos. Tada temperatūra krinta iki 23 0 C. Po to reguliuojamas krūvos aukštis ir sklaidoma taip, kad kiekvieną dieną temperatūra kristų 1 – 2 0 C. Pirmają dieną miežių temperatūra turi būti 24 – 200 C, antrają 23 – 19 0 C, trečiają 20 – 18 0 C, ketvirtają 19 –17 0 C ir septintają dieną 14 – 13 0 C. Paskutinėmis dienomis salyklas daiginamas, esant 13 – 14 0 C temperatūrai. Visas miežių daiginimo procesas trunka 10 – 12 parų, o rugių 7 – 8 paras. Daiginant grūdai 2 – 3 kartus per parą laistomi vandeniu, kad žalias salyklas būtų 44 – 46% drėgmės. Pneumatinės salyklidės naudojamos dideliuose fabrikuose. Daiginant grūdus pneumatinėse salyklidėse, pro mirkytų grūdų sluoksnį pučiamas drėgnas nustatytos temperatūros oras. Tuo būdu grūdai aušinami, pašalinamos anglies dioksido dujos ir grūdams tiekiamas oro deguonis.
Oras paruošiamas (kondicionuojamas) specialiose kondicionavimo kamerose. Kondicionuotas oras turi būti švarus, 98 – 100% santykinės drėgmės ir 2 – 3 0 C žemesnės temperatūros, negu grūdų temperatūra.Pneumatinės salyklidės yra dviejų sistemų: dėžinės ir būgninės. Dėžinę salyklidę sudaro eilė betoninių arba plytinių skyrių (dėžių), kuriose 0,5 – 1 m aukštyje yra 2 x 20 mm didumo skylučių sietai. Ant sietų pilamas grūdų sluoksnis (pirmomis dienomis 50 – 60 cm storio, o paskui 70 – 80 cm), pro kurį ventiliatoriumi spaudžiamas kondicionuotas oras. Grūdai maišomi vartikliais arba rankiniu būdu. Jie daiginami vienoje (toje pačioje) dėžėje. Dėl to salyklidėje statoma tiek dėžių, kiek dienų daiginama.Būgninę pneumatinę salyklidę sudaro metalinis besisukantis būgnas. Jo viduje ir daiginami grūdai. Pro daiginamų grūdų sluoksnį kondicionuotas oras spaudžiamas ventiliatoriumi, o grūdai maišomi, sukantis būgnui. Būgninėse salyklidėse daiginimo procesas visiškai mechanizuotas.Salyklo dezinfekavimas ir smulkinimas. Ant žalio salyklo paviršiaus yra daugybė mikroorganizmų. Dėl to jis pirmiausia dezinfekuojamas chlorkalkėmis. Paruošiamas chlorkalkių tirpalas, kurio viename litre yra 300 – 400 mg aktyvaus chloro. Žalias salyklas šiame tirpale išlaikomas 20 – 25 min. Salyklui dezinfekuoti vartojamas ir 0,25 % formalino tirpalas. Iš salyklo fermentas amilazė išgaunamas, smulkinant salyklą valcais, diskiniais, plaktukiniais ar girniniais malūnais. Daugiausia naudojami valcai , kurių darbo organai yra nevienodo skersmens, sukasi į priešingas puses, bet vienodu (180 –200 aps/min) dažnumu. Dėl to smulkinant salyklas trinamas ir suspaudžiamas į plonas plokšteles.Salyklo malūnas statomas virš boso su maišikliu. Į bosą pilama 2,5 – 3 l vandens (1 kg salyklo). Sumaltas salyklas tiesiai patenka į vandenį, ir gaunamas baltas skystis, vadinamas salyklo pienu. Salyklo pienas siurbliu varomas į maišymo – aušinimo bosą. Jis gali ir pats nutekėti.2.2 Žaliavos šutinimas
Salyklo amilolitiniai fermentai neveikia bulvėse ir grūduose esančio krakmolo, nes jį saugo ląstelių sienelės. Neištirpusį krakmolą sunku sucukrinti. Dėl to pirmiausiai suardomos ląstelių sienelės ir krakmolas ištirpinamas. Krakmolas jau tirpsta, esant 120 0 C temperatūrai. Tačiau ląstelių sienelėms susilpninti reikia aukštesnės temperatūros. Nesmulkinta žaliava šutinama 145 – 155 0 C temperatūroje, o smulkinta – 130 – 140 0 C temperatūroje.Su vandeniu šildomas krakmolas hidratuojasi ir kleisterizuojasi. Dėl to pirmiausia krakmolo grūdeliai išbringsta, sutrūkinėja ir disperguoja. Taip susidaro klampus ir homogeniškas tirpalas.Krakmolo kleisterizacijos temperatūra priklauso nuo to, iš ko jis pagamintas, ir grūdelių didumo. Bulvių krakmolas kleisterizuojasi 55 –60 0 C temperatūroje, rugių -55 – 80 0 C, kviečių ir miežių – 60 – 80 0 C, kukurūzų – 65 –75 0 C.Krakmolo kleisteris, šildomas iki 110 0 C temperatūros, pradeda skystėti, o 120 – 130 0 C temperatūroje pasidaro skystas. Ataušinus iki 55 – 60 0 C temperatūros, krakmolo kleisteris virsta drebučiais, kurie nesusimaišo su salyklo pienu. Dėl to, aušinant kleisterį, nuo 100 – 60 0 C temperatūros pridedama šiek tiek salyklo pieno. Salyklo amilazei skaldant krakmolą iki vienos molekulės didumo, kleisteris skystėja.Bulvėse yra apie 75 % vandens, todėl krakmolas ištirpsta ir nepridėjus vandens. Grūduose, priešingai, yra mažai (15 – 20% ) vandens. Krakmolui ištirpinti jo nepakanka. Dėl to, šutinant grūdus, vandens pridedama kiek reikia.Pirmoje šutinimo stadijoje žaliava pašildoma prieššutintuvuose, iki 60 – 100 0 C temperatūros. Jos sudėtinės dalys išbringsta ir iš dalies tirpsta. Paskui, žaliavą šildant didesniame slėgyje, suardoma grūdų ir bulvių struktūra, ištirpinamos ir hidrolizuojamos sudėtinės dalys. Esant aukštesnei temperatūrai ir didesniam slėgiui, ištirpsta krakmolas, dalis pentozanų, hemiceliuliozės, baltymai ir kitos medžiagos. Ląstelės jungiančios medžiagos ištirpsta ir ryšys tarp ląstelių suyra. Esant 140 – 150 0 C temperatūrai, iš dalies trūksta ląstelės, ir krakmolas išsiskiria į aplinką. Esant 130 – 160 0 C temperatūrai, hidrolizuojasu pektininės medžiagos ir iš jų atskeliamos metoksilo grupės. Iš jų gali susidaryti metilo alkoholis.Šutinant žaliavą padaugėja cukrų. Šildant iki 50 – 70 0 C temperatūros, amilolitiniai fermentai krakmolą skaldo į cukrus ir dekstrinus. Be to, krakmolas iš dalies hidrolizuojamas iki cukrų, veikiant organinėms rūgštims, esančioms šutinamoje žaliavoje. Maltozė, sacharozė ir kiti disacharidai, šildant ir veikiant organinėms rūgštims, skyla į monosacharidus. Gliukozė, fruktozė, ksilozė ir kiti monosacharidai reaguoja su amino rūgštimis, sudarydami melanoidinus, kurių mielės neraugina. Esant aukštesnei temperatūrai ( 150 – 170 0 C ), cukrūs dehidrazuojasi (karamelizuojasi). Šiuo būdu susidariusių junginių mielės taip pat neraugina.Melanoidinai ir karamelės junginiai sudaro cukrų ir krakmolo nuostolius. Bulvių nuostoliai esti 1,0 – 1,5%, o grūdų – 2,5 – 3,5 % . Mažiausi rauginamų angliavandenių nuostoliai gaunami, esant aktyviam šutinamo produkto rūgštingumui (pH 5,2 – 6,8).Šutinimo būdai. Anksčiau buvo šutinama periodiniu būdu cilindriniuose – kūginiuose šutintuvuose, esant dideliam slėgiui ir 147 – 157 0 C temperatūrai. Šiuo metu paplitęs pusiau tolydinis gamybos būdas. Šiuo būdu žaliavos šutinimo yra trys laipsniai: prieššutintuvuose 2 žaliava pašildoma garu, išsiskiriančiu, išmetant šutintą masę; šutintuvuose 3 žaliava šutinama, paskui masė patenka į garo atskirtuvą – išlaikytuvą 4, kuriuose baigiama šutinti 103 – 105 0 C temperatūroje ( 3 pav).
3 pav. Pusiau tolydinio žaliavos šutinimo technologinė schema:
1- vandens bakas, 2 – prieššutintuvas, 3 – šutintuvas, 4 –garo atskirtuvas – išlaikytuvas
Masė išlaikoma 40 – 45 min. Tada ji tolydžiai teka į sucukrintuvą. Garo atskirtuve – išlaikytuve išsiskyręs garas patenka į prieššutintuvą žaliavai pašildyti.Naudojamas ir tolydinio šutinimo metodas. Šutinant žaliava minėtose linijose, pradžioje grūdai ar bulvės smulkinamos, kad būtų lengviau tolydžiai tiekti į šutinimo aparatą ir intensyviau vyktų šutinimo procesas. Tolydiniame šutinimo procese yra šios operacijos: žaliavos smulkinimas, jos ir vandens dozavimas, mišinio paruošimas ir jo šutinimas. Paties šutinimo yra dvi stadijos: mišinio šildymas iki virimo ir jo laikymas nustatytoje temperatūroje. Mišinys šildomas dvejopai: žemo slėgio (antriniu garu) ir aukšto slėgio garu.Išvalyta žaliava (grūdai arba bulvės) smulkinama ir patenka į maišytuvą – prieššutintuvą 10. Šis įrengimasa yra horizontalus cilindras su maišikliu ir susideda iš dviejų sekcijų. Pirmoje sekcijoje sumalti grūdai maišomi su 35 – 40 0 C temperatūros vandeniu, imant 2,5 – 2,8 kg vandens 1 kg grūdų. Antroje maišymo sekcijoje mišinys pašildomas iki 70 – 80 0 C temperatūros antriniu garu, gaunamu iš garo separatoriaus. Susmulkintos bulvės pašildomos iki 40 – 50 0 C temperatūros per 10 – 14 min.Mišinys toliau varomas siurbliu 11 per kontaktinę galvutę 12 į pirmo laipsnio šutinimo koloną 13. Esant lygio skirtumui, masė perteka į antro laipsnio šildymo koloną 14. Kontaktinėje galvutėje šildoma tiesioginiu garu. Šutinimo kolonoje 13 masė teka pasvirusiomis pertvaromis iš viršaus žemyn, o garas, kildamas kolona iš apačios aukštyn, pašildo masę iki 130 – 140 0 C temperatūros. Kiekvienoje kolonoje masė išbūna 20 – 25 min. Šutinta masė per lygio reguliatorių 15 patenka į garo seperatorių 16, kur atskiriamas antrinis garas ( 55 – 60 kg/t šutintos masės).
2.3 Krakmolo sucukrinimas
Kleisterizuotas ir ištirpintas krakmolas hidrolizuojamas fermentaciniu būdu. Fermentacinė krakmolo hidrolizė vyksta, veikiant amilolitiniams fermentams, esantiems salykle arba pelėsių grybeliuose.Krakmolas (sudarytas iš amilozės ir amilopektino) fermentiniu būdu hidrolizuojamas taip: salyklo fermentas amilazė yra alfa – ir beta – amilazės mišinys. Alfa – amilazė nutraukia amilozės ir amilopektino molekulių ryšius bet kurioje vietoje ir smulkina jas į mažesnes daleles. Dėl to smarkiai sumažėja kleisterio klampumas. Laisvus gliukozinės grandinėlės galus veikia beta – amilazė, ir susidaro maltozė.Paprastai alfa – amilazė veikia penktą arba šeštą gliukozidinį ryšį ir, veikiant alfa – amilazei, amilozė bei amilopektinas greitai skyla į dekstrinus, kurie toliau skaldomi į gliukozę ir maltozę. Beta – amilazė skaldo kas antrą alfa –gliukozidinį ryšį nuo grandinės galo ir atskelia dvi gliukozidines liekanas ( maltozės molekulės pavidalo). Dėl to amilozės molekulę beta – amilazė palaipsniui visiškai suskaldo į maltozę. Veikdamas amilopektiną šis fermentas skaldo jį į maltozę, kol pasiekia išsišakojimo vietą ( alfa –1,4 –gliukozidinį ryšį). Likusį alfa – dekstriną veikia alfa – amilazė, skaldydama jį į mažesnes dalis.Abu fermmentai (alfa ir beta – amilazės) nustoja veikę, kai lieka molekulės dalys, sujungtos su fosforo rūgštimi ir turinčios 1 – 6 ryšius. Šiuos junginius skaldo fermentas dekstrinazė, kuris atskelia fosforo rūgštį. Toliau likusias grandines veikia beta – amilazė.Spirito gamyboje krakmolui sucukrinti reikalingas fermentų kompleksas, kuriame turi būti ne mažiau kaip trys fermentai: alfa – amilazė, beta – amilazė ir dekstrinazė. Arba oligo – 1,6 – gliukozidazė. Taip pat salykle yra fermentai maltazė, fosforinazė ir invertazė. Fermentiniu būdu krakmolas sucukrinamas daug sudėtingiau. Kai krakmolas visiškai (100%) sucukrinamas, tirpale gaunama apie 20% dekstrinų. 68,5% maltozės ir 11% gliukozės.Fermentacinei krakmolo hidrolizei turi įtakos daugelis veiksnių: temperatūra, pH, terpės sudėtis. Krakmolo sucukrinimas, kaip ir kiekviena cheminė reakcija, pagreitinamas, keliant temperatūrą. Tačiau aukštesnėje temperatūroje fermentai gali koaguliuoti. Tokiame būvyje jie esti neveiklūs (inaktyvuoti). Salyklo fermentas beta – amilazė suyra, esant 700 C temperatūrai, o alfa – amilazė – esant apie 80 0 C temperatūrai. Amilazės inaktyvavymui turi įtakos terpės pH. Rūgštingsnėje terpėje fermentai greičiau inaktyvuojami. Miežių, rugių salyklas veikliausias 40 – 60 0 C temperatūroje.Antras svarbus fermento aktyvumo veiksnys yra pH. Geriausiai amilazė veikia, esant pH 4,6 – 5,1. Terpės pH turi įtakos baltymų koaguliavimui, fermentų absorbavimui ir inaktyvavymui. Esant optimalios pH sąlygomis, baltymai koaguliuojami ir fermentai adsorbuojami minimaliai. Dėl to fermentai esti aktyviausi. Optimalus amilazės veikimo pH priklauso nuo temperatūros, o optimali temperatūra – nuo terpės pH.Paprastai šutintos bulvių masės rūgštingumas yra 0,2 – 0,5 0 , o grūdų – 0,15 – 0,3 0 (rūgštingumo laipsnis atitinka 1 ml normalaus šarmo, reikalingo 20 ml masės neutralizuoti). Atsižvelgiant į šutintos masės buferines savybes, jos pH svyruoja nuo 4,9 iki 5,6. Taigi natūralus šutintos masės pH yra ne visiškai optimalus, nes, esant optimaliai (56 0 C ) sucukrinimo temperatūrai, optimalus pH turi būti nuo 4,8 iki 5. Dėl to, norint pasiekti optimalią pH ribą, šutintą masę reikia parūgštinti.Krakmolo sucukrinimo būdai. Spirito gamyboje krakmolas sucukrinamas periodiniu ir tolydiniu būdu. Šutintą masę sumaišius su salyklu ir krakmolą sucukrinus, paruošiama rauginimo terpė, vadinama sucukrinta masė.Periodinis būdas. Pas taruoju metu vis rečiau krakmolas sucukrinamas periodiniu būdu. Sucukrinant periodiniu būdu atliekamos šios technologinio proceso operacijos: 1) šutinta masė ataušinama iki temperatūros, palankios amilolitiniams salyklo fermentams veikti 2) šutinta masė sumaišoma su salyklo pienu 3) sucukrinama 4) sucukrinta masė aušinama iki rauginimo temperatūros ir 5) masė tiekiama į rauginimo skyrių. Periodiniu būdu visos šios operacijos atliekamos viename maišymo – aušinimo base.
Standartiniai bosai yra 9, 12, 19 m3 talpos. Į jų vidų įstatyti gyvatukai – šaldytuvai, sudaryti iš varinių arba geležinių vamzdžių. Jie išdėstyti keliomis eilėmis. Į gyvatuka tiekiamas 10 0 C temperatūros vanduo. Masė maišoma bose esančiu naišikliu, kuris sukasi 80 – 100 aps/min. Boso dangtyje yra 0, 5 –0,7 m skersmens vamzdis iš masės išsiskiriančiam garui nuvesti. Masę galima sucukrinti taikant kelis režimus. Greitai sucukrinama, kai į maišymo – sucukrinimo bosą suleidžiamas visas salyklo pienas, o šutinta masė išmetama į jį taip, kad temperatūra būtų ne aukštesnė kaip 55 – 57 0 C. Tik sucukrinimo pabaigoje pasiekiama 61 0 C temperatūra. Šioje temperatūroje masė išlaikoma 10 – 15 min (sterilizuojama) ir ataušinama iki 30 0 C (rauginimo) temperatūros. Tolydiniu būdu krakmolas sucukrinamas atskiruose aparatuose: I laipsnio, II laipsnio cukrintuvuose ir šaldytuve.Sucukrinant krakmolą vienalaipsniu tolydiniu būdu ( pav 4), šutinta masė iš garo separatoriaus – išlaikytuvo 1 patenka į išgarinimo kamerą 3, kurioje yra 80 – 81 kPa slėgis. Šį slėgį atitinka 62 – 63 0 C masės virimo temperatūra, ir masė smarkiai verda jau vamzdyje 4, kuriame yra tas pats slėgis, kaip ir išgarinimo kameroje. Tuo būdu vamzdyje susidaro masės ir garo mišinys (emulsija), ir garo tūris mišinyje sudaro 95%. Mišinys į vamzdį 4 teka 30 – 40 m/s greičiu. Išgarinimo kameroje garas atskiriamas, o masė vamzdžiu 6 teka į cukrintuvą 7. Masė cukrintuve maišoma maišikliu 8 ir jame išbūna 5 min. Garas ir nesusikondensavusios dujos patenka į kondensatorių 10 ir vakuumo siurblį 9. Salyklo pienas į cukrintuvą patenka iš bosų 11 per dozatorių 12. Cukrinamos masės temperatūra krinta. Ji palaikoma nuo 57 iki 58 0 C. Masės lygis cukrintuve reguliuojamas plūde 13 ir vožtuvu 2. Toliau sucukrinta masė siurbliu 14 varoma per šilumokaitį 15 į rauginimo skyrių.4 pav. Tolydinio sucukrinimo schema:
1 –garo separatorius –išlaikytuvas, 2 –vožtuvas, 3 – išgarinimo kamera, 4, 6 – vamzdžiai, 5 –čiaupas, 7 – cukrintuvas, 8 –maišiklis, 9 – vakuumo siurblys, 10 – kondensatorius, 11 –bosai, 12 –dozatorius, 13 –plūdė, 14 –plunžerinis siurblys, 15 -šilumokaitis
Sucukrintos masės kokybę apibūdina šie technologiniai rodikliai: masės koncentracija, sucukrinimo laipsnis, gerumas, sucukrinimo pajėgumas ir rūgštingumas. Koncentracija priklauso nuo bendro kiekio ištirpusių sausų medžiagų, kurios skirstomos į rauginamas (cukrus, dekstrinus) ir nerauginamas (organinės rūgštys, azotinės ir mineralinės medžiagos). Tirpiujų medžiagų koncentracija išreiškiama procentais. Jų yra 16 – 18 %. Esant didesnei sucukrintos masės koncentracijai, padidėja įrengimų našumas, tačiau tokioje masėje susidaro daugiau melanoidinų.Sucukrinimo laipsnis nustatomas, tikrinant masės pavyzdžius jodo tirpalu. Masė negali nusidažyti raudona arba violetine spalva. Pageidaujama, kad sucukrintoje masėje maltozės ir dekstrinų santykis (M: D) būtų 4:1, sucukrinus bulves, ir ne mažesnis kaip 3,5:1, sucukrinus rugius, miežius, avižas. Tačiau masės surauginimas priklauso ne tiek nuo maltozės ir dekstrinų santykio, kiek nuo fermento dekstrinazės, skaldančius dekstrinus rūgimo metu.Masės gerumas (Gt – tikrasis) rodo maltozės ir dekstrinų kiekį Z bendrame masės sausų medžiagų kiekyje B, išreiškus procentais:
Gt = Z/B x 100.
Paprastai bulvių sucukrintos masės tikrasis gerumas yra 82 – 84%, kukurūzų – 87 – 88 %, miežių – 78 –80% ir rugių – 76 – 78 %. Normalus sucukrintos masės rūgštingumas yra 0,2 –0,3 0 .
2.5 Sucukrintos masės rauginimas
Alkoholinis rūgimas yra svarbiausias procesas, kurio metu, veikiant fermentams, iš cukrų per eilę biocheminių ir biologinių procesų susidaro etilo alkoholis ir anglies dioksidas. Alkoholinį rūgimą sukelia mielės ir kiti mielėms artimi mikroorganizmai: Monilia bei pelėsių grybeliai Mucor.Sucukrintoje masėje daugiausia yra maltozės ir dekstrinų. Veikiant mielių fermentams maltazei ir invertazei, disacharidai ir trisacharidai suskyla iki monosacharidų. Šie toliau rauginami į etilo alkoholį ir anglies dioksidą.Rauginant sucukrintą masę, pridedama anksčiau padaugintų mielių. Mielių masė susideda iš daugelio atskirų ląstelių. Nors atskiros mielių ląstelės nedidelės ( 8 mkrm skersmens ), tačiau mielių masės paviršius yra labai didelis, nes 10 g presuotų mielių yra 140 mlrd. ląstelių sudarančių 7 m2 paviršių. Toks didelis paviršius sukelia adsorbcijos procesus: mielės adsorbuoja fermentus, cukrus ir kitus junginius.Rūgimo mechanizmas aiškinamas taip: cukrūs ir kitos maistingosios medžiagos rauginamos terpėje adsorbuojamos mielių ląstelių paviršiuje. Po to jos difunduoja per pusiau pralaidų apvalkalėlį į ląstelės vidų. Ten jas veikia fermentai. Susidarę galutiniai produktai – etilo alkoholis ir anglies dioksido dujos išsiskiria iš ląstelės pro apvalkalėlį ir difunduoja į terpę. Alkoholis gerai maišosi su vandeniu. Jis greitai difunduoja į aplinką. Anglies dioksidas taip pat tirpsta vandenyje, bet nežymiai, dėl to rauginamamoji terpė greitai prisotinama angliarūgšties. Po to anglies dioksidas adsorbuojamas mielių ląstelių ir kitų kietų kūnų paviršiuje. Iš tirpalo išsiskirdamos anglies dioksido dujos sudaro burbuliukus, stipriai susijungusius su mielių ląstelėmis. Kai dujų burbuliukas pasiekia tokį didumą, kad jo kėlimo jėga yra didesnė už ląstelės masę, jis su ląstele pakyla į paviršių, atskyla ir išlekia į atmosferą, o ląstelė nusileidžia žemyn. Tuo būdu ląstelės rauginimo terpėje juda, vyksta intensyvesnė medžiagų apykaita ir greitesnis rūgimas.
Geriausiai mielės raugina terpę, kurioje yra 10 – 18% cukraus. Esant didesnei cukraus koncentracijai, pakyla mielių ląstelių osmosinis slėgis, suyra normalus jų fiziologinis būvis, gali pasireikšti plazmolizė ir mielių aktyvumas sumažėja. Rauginant 16 – 18% koncentracijos ir 86% gerumo sucukrintą masę (joje yra 13,8 – 15,5% cukraus), terpėje susidaro 8 – 9% (tūrio) alkoholio. Sucukrintos masės rauginimo procesas skirstomas į dvi pagrindines operacijas: 1) mielių mentalo paruošimą 2) sucukrintos masės rauginimą.Mielių mentalo paruošimas. Ruošiant mielių mentalą, dalis sucukrintos masės iš cukrintuvo tiekiama į mielių skyrių. Masė ataušinama iki 55 – 58 0 C temperatūros ir, pridėjus žalio salyklo mielėms maitinti, šioje temperatūroje išlaikoma 2 – 3 h. Tuo būdu sucukrinamas krakmolas, patekęs į masę su salyklu, skaldomi baltymai iki mielių įsisavinamų aminorūgščių ir iš organinių junginių atskeliama fosforo rūgštis. Atsižvelgiant į sucukrintoje masėje esantį amino junginių kiekį, pridedama nevienodai salyklo: 1 daliai bulvių masės jo dedama 0,6 kg, o 1 daliai kitokios žaliavos – 1 kg.Paskui masė pašildoma iki 75 0 C temperatūros ir laikoma 30 min, kad kleisterizuotųsi ir susicukrintų nesudygusių grūdų krakmolas. Masė sterilizuojama, esant 85 0 C temperatūrai, 15 min. Paskui ataušinama iki 50 0 C temperatūros ir parūgštinama sieros rūgštimi arba pridedama termofilinių pieno rūgšties bakterijų (Thermobacterium cereale) raugo, kad sukeltų pieno rūgšties rūgimą. Sieros rūgštimi bulvių mentalas parūgštinamas iki 1 – 1,1 0 , o grūdų mentalas iki 0,7 –0,9 0 . Mentalo pH turi būti 3,3 – 3,8. Mentalas ataušinamas iki 30 0 C temperatūros ir vartojamas mielėms dauginti. Jos dauginas, esant sieros rūgščiai.Kai mentalas parūgštinamas pieno rūgštimi, esant 50 0 C temperatūrai, pridedama 1,2 – 1,5% termofilinių pieno rūgšties bakterijų kultūrų raugo. Rauginama 8 – 14 h, kol pasiekiamas bulvių mentalo rūgštingumas 2,2 – 3 0 , o grūdų –1,7 – 2 0 . Po to mentalas 30 min pasterizuojamas, esant 70 0 C temperatūrai, ir ataušinamas iki 30 0 C temperatūros.Į rūgštų iki 30 0 C temperatūros ataušintą mentalą pridedama 8 – 12 % motininių mielių. Gamybos pradžioje motininės mielės ruošiamos iš grynų kultūrų, o paskui atrenkamos iš subrendusių mielių. Pridėjus motininių mielių, mentalas ataušinamas iki 16 – 17 0 C temperatūros. Paskui pakilus temperatūrai iki 28 –29 0 C, vėl aušinama, leidžiant šaltą vandenį į gyvatuką. Mielių dauginimas trunka 18 – 24 val. Dauginimosi pradžioje 1 ml mentalo yra 20 – 25 mln mielių ląstelių, o pabaigoje –120 – 160 mln. Atskyrus 10 – 12% motininių mielių, pagrindinė masė vadinama subrendusiomis mielėmis. Jos tiekiamos į rauginimo bosus. Dauginimo pradžioje mielių mentalo koncentracija yra 18 – 20 %, o subrendusiose mielėse -4,7 –5,5 %. Tuo būdu, mielėms dauginantis, susikaupia ir etilo alkoholio.Ruošiant mentalą periodiniu būdu, visos technologinio proceso operacijos atliekamos bosuose su maišikliais, šaldymo gyvatukais ir barboteriais mentalui pašildyti tiesioginiu garu (pav 5).5 pav. Mielių mentalo ruošimo bosas
Srovinėse tolydinėse rauginimo schemose mielių mentalas ruošiamas pusiau tolydiniu būdu. Sucukrinta masė rauginama periodiniu ir tolydiniu būdu.Periodinis rauginimas. Rauginant periodiniu būdu, į rauginimo aparatą pirmiausiai pilamas nustatytas kiekis subrendusių mielių. Paskui pilama sucukrinta masė ir rauginama tame pačiame aparate. Baigus rauginti, subrendęs raugalas distiliuojamas. Periodinio rauginimo procesas skirstomas į 3 periodus: 1) įrūgimo; 2) pagrindinio rūgimo; 3) prirauginimo. Įrūgimo metu į sucukrintą masę įdėtos mielės smarkiai dauginasi, bet cukrus silpnai raugina. Šio periodo metu pakyla rauginamosios terpės temperatūra, ir mielės greitai dauginasi 28 0 C temperatūroje.Antrojo – pagrindinio rūgimo periodo metu mielės baigia daugintis. Pasidauginusios mielės greitai suraugina cukrus. Per 1 h rauginamosios masės koncentracija sumažėja 1%. Šio periodo metu temperatūra pakyla 16 – 18 0 C ir išsiskiria daug anglies dioksido dujų. Optimali rūgimo temperatūra – 27 – 28 0 C, todėl šio periodo metu masę reikia aušinti.Prirauginimo periodui būdingas lėtas cukrų rauginimas, esant nedidelei jų koncentracijai, bet jau žymiai alkoholio koncentracijai rauginamoje terpėje. Šio periodo metu dekstrinai sucukrinami į maltozę, todėl jo trukmė priklauso nuo fermento dekstrinazės kiekio.Per tris rauginimo periodus paruošiamas subrendęs raugalas. Jis rauginamas 72 h. Iš daugelio periodinio rauginimo būdų dažniausiai taikomi: pripildymo, tolydinio pripildymo ir rauginamosios masės nuėmimo būdas. Pripildymo būdas būdingas tuo kad, supylus mieles į rauginimo aparatą, periodiškai pilama sucukrinta masė. Šiuo atveju mielės dauginasi pripildant aparatą. Taigi pagrindinis rūgimo procesas prasideda pripildant aparatą. Rauginama tris paras.Rauginant tolydiniu pripildymo būdu, į rauginimo aparatą supylus mieles, tolydžiai pilama sucukrinta masė.Rauginamosios masės nuėmimo būdas būdingas tuo, kad pagrindinio rūgimo stadijoje nupilama dalis (5 – 8%) rauginamosios terpės. Ji parūgštinama sieros rūgštimi iki 2,5 – 30 rūgštingumo, išlaikoma 20 min ir vartojama kaip mielių mentalas kitame rauginimo aparate.Sucukrinta masė rauginama plieniniuose rauginimo bosuose ( pav 6 ).
6 pav. Rauginimo bosas:
1 – vamzdinis gyvatukas, 3,4,5,6 – atvamzdžiai, 2, 11 – angos, 7 – lemputė, 8 – stebėjimo stiklas, 9 – plovimo prietaisas, 10 – termometras.
Boso viduje yra vamzdinis gyvatukas 1, šaldomas vandeniu. Masė tiekiama per atvamzdį 3, mielės per atvamzdį 4. Išsiskyrusios anglies dioksido dujos nuvedamos per atvanzdį 5. Bosui apžiūrėti ir remontuoti yra angos 2 ir 11. Rūgimo procesas stebimas pro srebėjimo stiklą 8.
Tolydinis – srovinis rauginimo būdas. Šiuo būdu rauginama masė tolydžiai teka iš vieno rauginimo aparato į kitą. Sucukrinta masė patenka į pirmajį ir antrajį rauginimo aparatus, vadinamus pradiniais. Pagrindinis rūgimas vyksta daugiausia pirmuose dviejuose aparatuoseč o paskutiniuose aparatuose – tik prirauginama. Iš paskutinio rauginimo aparato raugalas varomas distiliavimui.Pagal tolydinio – srovinio rauginimo schemą gamybos pradžioje mielės iš grynų kultūrų paruošiamos mielių bosuose 1. Atskyrus motinines mieles, subrendusios mielės išleidžiamos į raugintuvą 2, kur pridedama sucukrintos masės, parūgštinama iki 0,4 – 0,50 ir, nuėmus 5 – 6% rauginamosios masės, suleidžiama į pirmajį arba antrajį pradinį rauginimo aparatą 3. Tiek mielių bosas, tiek ir raugintuvas plaunami vandeniu, garu ir vėl iš naujo pripildomi. Rauginimo aparate į paruoštas mieles pridedama sucukrintos masės. Pripildžius pusę pirmojo pradinio aparato, rauginamoji masė siurbliu 4 varoma į antrajį pradinį rauginimo aparatą. Tuomet abu aparatai pripildomi sucukrintos masės. Iš pradinių rauginimo aparatų masė patenka į trečiajį, iš jo – į ketvirtajį aparatą ir t.t. Pradiniai rauginimo bosai išpilami kas 24 – 30 h. Pašaliniai mikroflorai panaikinti jie kas 48 – 60 h sterilizuojami. Kiti rauginimo aparatai sterilizuojami kas 68 –70 h.Rauginimo procesas nuo sucukrintos masės iki subrendusio raugo trunka 60 – 65 h. Paprastai pirmajame pradiniame rauginimo aparate surauginama 73 % cukrų, antrajame – 13 %, o likusiuose – 14%. Taikant šį srovinį rauginimo būdą spirito gamyba gali būti visiškai automatizuota.Svarbiausi subrendusio raugalo technologiniai rodikliai yra: nuorūgis, rūgštingumas ir alkoholio kiekis. Nuorūgiu vadinami sacharometro parodymai raugalo filtrate. Šis dydis yra sąlyginis. Juo išreiškiamas raugalo tankis procentais pagal sacharometrą. Sacharometro parodymai priklauso nuo tirpių sausųjų medžiagų ir alkoholio kiekio raugale. Kuo mažiau sausųjų medžiagų ir kuo daugiau raugale alkoholio, tuo mažesni sacharometro parodymai. Pagal nuorūgio didumą sprendžiama apie nesuraugintų medžiagų kiekį. Priklausomai nuo žaliavų rūšies, nuorūgis esti nuo 0,6 (bulvių) iki 1,3 (rugių).Normalus raugalo rūgštingumas rodo rūgimo grynumą. Raugale daugiausia vystosi pieno rūgšties bakterijos. Jos geriausiai vystosi, esant 30 0 C temperatūrai, kol rauginamoje terpėje susidaro 3 – 5% (tūrio) alkoholio. Be pieno rūgšties bakterijų, rauginamoje terpėje pasitaiko truputis acetono – butilo, acto rūgšties rūgimo, Bac. subtilis, Bac. mesentericus ir kitų bakterijų. Dėl to reikia šią rūgimą sukeliančią mikroflorą sunaikinti, nes cukrūs sunaudojami rūgštims susidaryti, be to, esant didesniam nei 1 0 rūgštingumui, nutrūksta fermentų veikla ir dekstrinai nesusicukrina.3. Gliukozės – fruktozės sirupo gamyba
Gliukozės –fruktozės sirupas – tai krakmolo cukrus, kuriame dalis gliukozės paversta į fruktozę. Kadangi sacharozė supaprastinus yra taip pat gliukozės ir fruktozės mišinys, tai toks sirupas pagal sudėtį, saldumą ir kitus rodiklius beveik nesiskiria nuo paprasto cukraus sirupo.Gliukozės – fruktozės sirupas, kuriame yra 42% fruktozės, yra tokio pat saldumo, kaip ir invertuotas cukrus. Sirupo, kuriame yra daugiau fruktozės, saldumas yra didesnis.Didžiausią reikšmę maisto pramonėje turi šios gliukozės – fruktozės sirupo savybės: didelis saldumas, maža klampa, didelis higroskopiškumas, kurį nulemia fruktozė, sirupą lengvai raugina mielės. Fruktozė mišinyje su gliukoze nesikristalizuoja (nesusicukrina), todėl naudojama ledų, konditerijos gamyboje.Gliukozės –fruktozės sirupas pasižymi tokia savybe: esant tam tikrai koncentracijai jo osmotinis slėgis beveik du kartus didesnis už sacharozės ir maždaug toks pats, kaip invertuoto cukraus. Sirupas priešinasi osmofilinių bakterijų poveikiui geriau nei sacharozė.Kadangi gliukozės –fruktozės sirupas sudarytas iš monosacharidų, tai įvairiuose gaminiuose jais pakeičiant cukrų, galima sumažinti užšalimo tašką, padidinti virimo tašką, sumažinti garų slėgį. Šie sirupai sustiprina skonį, ypač vaisinį. Gliukozės – fruktozės sirupą rekomenduojam naudoti vietoj sacharozės ir invertuoto cukraus.Iš krakmolo gaunamų sirupų gamybai egektyviausia žaliava yra kukurūzai. Kai kuriems regionams ekonomiškai naudingiau yra perdirbti vietinę žaliavą. Krakmolo produktų gamybai naudojant kviečius, miežius, žirnius, turi būti numatytas kompleksinis žaliavų panaudojimas išskiriant baltymų koncentratą, ekstraktą, ląstelieną.Krakmolą perdirbant į saldiklius, vykstant cheminės ar biologinės kilmės krakmolo hidrolizei, naudojami katalizatoriai.Rūgštinės krakmolo hidrolizės metu susidaro kenksmingų pašalinių produktų, o hidrolizuojant salyklo fermentais, sirupe, be gliukozės lieka dar gana daug dekstrinų. Tokie sirupai tinka konditerijos pramonėjr, dietiniams produktams gamint, bet netinka grynai gliukozei gaminti.Panaudojus įvairių rūšių fermentinius preparatus, gaunama geresnės kokybės daug įvairių saldiklių: kristalinė gliukozė, maltozinis, gliukozinis – maltozinis sirupas, gliukozės – fruktozės ir fruktozės sirupai, krakmolo cukrus: skystas ir granulėmis.Naudojant krakmolo hidrolizę fermentų pagalba, plačiai gaminami gliukoziniai sirupai, kurie naudojami spirito gamyboje, koncentruotų fruktozės sirupų gamybai ir kt.Pagrindinės biotechnologijos naujovės gaminant sirupus:Fermento izomerazės panaudojimas, invertuojant gliukozę į fruktozę:
1. Naudojami fermentai, kurie pasigamina iš bakterijų Streptomyces veiklos2. Naudojami imobilizuoti fermentai3. Talpių specialių reaktorių panaudojimas leido panaudoti tirpstančius fermentus4. Naudojama tolydinė separavimo technologija
Gaminant sirupus ir sacharozės pakaitalus iš krakmolo, yra trys biotechnologijos operacijos:
1. Suskystinimas
2. Apcukrinimas
3. Izomerizacija
35% krakmolo suspensija vandenyje
alfa – amilazės inaktyvavimas 90 – 105 0 C temperatūrojearba rūgšties neutralizacija
Oligosacharidai
D –gliukozė 90 – 98%SM 30%
Išgarinimas iki 40 –45% SM
Demineralizacija
Filtracija
Deaeracija
Gliukozės –fruktozės sirupas
Pav.6 Gliukozės – fruktozės sirupo gavimo iš kukurūzų krakmolo schema
3.1 Suskystinimas
Naudojant vieną gliukoamilazę, reikia krakmolą suskystinti iš dalies jį hidrolizuojant. Tam gali būti naudojamos mineralinės rūgštys ar bakterinė alfa – amilazė. Iš termofilinio producento Bacillus licheniformis išskirta alfa – amilazė išlieka stabili, esant 105 0 C temperatūrai. Šis fermentas aktyvus plačiame pH diapazone (nuo 5 iki 9), jo termostabilumas nepriklauso nuo kalcio jonų ir jis visiškai dekstrinizuoja krakmolą. Galima panaudoti labai didelės koncentracijos krakmolo suspensijas ir, paveikus jas alfa amilaze, gauti dekstrinų mišinį. Alfa – amilazė atakuoja krakmolą ir, netvarkingai veikdama, jį suskaldo į atskirus fragmentus (oligosacharidus). Naudojant alfa – amilazę, gaunami maltodekstrinai, silpnai saldūs, kurie vėliau suskaldomi.
3.2 Apcukrinimas
Fermentas gliukoamilazė naudojamas gliukozei ių krakmolo gaminti. Svarbu, kad gliukoamilazės producentai negamintų fermento gliukoziltransferazės, nes šis fermentas koncentruotose gliukozės tirpaluose katalizuoja oligosacharidų, kuriose gliukozės liekanos sujungtos 1 –6 gliukozidinėmis jungtimis, susidarymą. Šis pašalinis produktas ne tik sumažina gliukozės išeigą, bet ir apsunkina kristalizaciją ir pablogina produkto kokybę. Todėl gliukozei gaminti naudojamas gliukoamilazės iš grybų Rhizopus bei mielių Endomycopsis, visiškai neturinčios gliukoziltransferazės priemaišų.Dekstrinavus krakmolą, sudaromos palankios sąlygos gliukoamilazei – optimalus pH 4,0 – 4,5, temperatūra – 60 0 . Gliukoamilazė nuo susidariusių oligosacharidų atskiria gliukozės liekanas nuo galo, be to pasigamina nedideli kiekiai maltozės ir izomaltozės. Pridėjus šio fermento, per 65 – 75 valandas dekstrinai visiškai hidrolizuojami ir gaunama 97 – 98% gliukozės. Po to gautą sirupą reikia nuskaidrinti aktyvuota anglimi, koncentruoti ir iškristalinti gliukozę. Tokie sirupai dar naudojami kaip žaliava fruktozinių sirupų ga myboje – sutaupoma gliukoizomerazė gali būti panaudota spirito pramonėje.
3.3 Izomerizacija
Maisto pramonėje plačiai naudojami gliukoizomerazės preparatai. Jų pagalba gaminami gliukoziniai ir fruktoziniai sirupai, kurie turi didelę paklausą maisto pramonėje. Fruktozė, palyginus su cukrum, yra malonesnio “medaus” skonio. Fruktozę, skirtingai nei gliukozę ar cukrų, gali naudoti debetikai. Fruktozė yra 1,5 karto saldesnė už sacharozę. Fruktozė mišinyje su gliukoze nesikristalizuoja, tačiau plačiai taikoma ledų gamyboje, konditerijos pramonėje.
a) Šarminė izomerijacija
Gliukozės izomerizacija į fruktozę gali vykti ir nefermentiniu būdu. Stipriai šarminėje terpėje gliukozės stabilumas žymiai sumažėja, baigiasi mutarotacija ir susidaro šarminiai gliukozatai. Ilgai veikiant šzrmu šaltą ar truputį pašildytą gliukozės tirpalą, vyksta gliukozės epimerizacija, jos kitimas į kitus monosacharidus, giminingus savo struktūra: fruktozę, manozę. Epmerizacija (enolizacija) vyksta per bendrą gliukozės, fruktozės ir manozės enolinę formą.Enolinės formos monosacharidai yra nestabilūs: veikiant šarmui, toliau vyksta kitimai ir susidaro pirovynuogių, acto, skruzdžių rūgštys ir pieno rūgšties aldehidas.Be epimerizacijos proceso gliukozės tirpaluose vyksta negrįžtamas monosacharidų skilimas ir susidaro spalvinės medžiagos. Fruktozė tirpale mažiau stabili nei gliukozė, todėl ir greičiau suskyla.Cheminės izomerizacijos metu vyksta intensyvus spalvos atsiradimas ir D – manozės bei D – psikozės susidarymas, o jos pasižymi nemaloniu skoniu. Todėl, vykstant šarminei gliukozės izomerizacijai, reikalingas brangus nuskaidrinimo būdas ir reikia pašalinti pašalinių reakcijų produktus. Be to susidariusios fruktozės koncentracija tirpale yra nedidelė. Dėl šių trūkumų šis procesas gamyboje netaikomas.
b) Fermentinė izomerizacija
Monosacharidų izomerizacija gali vykti, dalyvaujant reakcijoje biologiniams katalizatoriams. Gliukoizomerazė – tai ląstelės vidaus fermentas. Izomerazės gaunamos iš Aerobacter, Streptomyces, Bacillus veiklos, o jos auginamos ksilozės terpėje. Jei krakmolo suskystinimui buvo naudota druskos rūgštis, tai gautas hidrolizatas bus tinkamos izomerizacijai kokybės, bet jame bus natrio chlorido, kuris galutinim produktui suteikia specifinį prieskonį.Gliukoizomerazė katalizuoja vienos stadijos gliukozės izomerizaciją į fruktozę. Reakcija vyksta tol, kol sistemoje gliukozės ir fruktozės kiekiai maždaug susilygina. Paveikus gliukozės sirupą gliukozės izomeraze, gaunamas sirupas, turintis apie 50 % gliukozės, 42 % fruktozės ir 8 % kitų cukrų. Savo sudėtimi šis produktas yra artimas sacharozei, kuri gaunama, cukrinių runkelių arba cukrašvendrių cukrų hidrolizuojant invertaze. Po to reakcija sustabdoma ir gautas mišinys gali būtipanaudotas kaip gliukozės – fruktozės sirupas arba fruktozė atskiriama ir likusi gliukozė vėl izomerizuojama.Šie fermentai dažniausiai naudojami imobilizuotoje būklėje. Procesas vyksta iki 5 m aukščio kolonose, kurios būna užpildytos imobilizuotu fermentu. Į koloną paduodamas gliukozės tirpalas, pagamintas iš kukurūzų ar bulvių krakmolo, o iš kolonod išteka gliukozės – fruktozės sirupas.Sirupą su 50 – 60 % fruktozės pramoniniu būdu galima gauti, sudarius sąlygas dalinei gliukozės kristalizacijai, po to ją atskiriant nuo sirupo. Gliukozė kristalizuojasi anhidritinėje formoje todėl, kad 30 – 50 0 C temperatūrų intervale fruktozės tirpumas 2,2 – 3 kartus didesnis už gliukozės tirpumą. Sirupo su didele fruktozės koncentracija gamyboje naudojamas chromatografinis gliukozės ir fruktozės atskyrimas iš gliukozės – fruktozės sirupo. Sirupas, kuriame yra 42% fruktozės, yra pirmos “kartos” produktas, 55 % – antros “kartos” ir 90% – trečios “kartos”.
Gliukozės – fruktozės sirupo saugojimui reikalingos ypatingos sąlygos, kuriose nevyksta gliukozės kristalizacija, spalvos didėjimas. Sirupas išlaiko savybes 29 – 35 0 C temperatūroje.5. Išvados
1. Apibendrinus galima pasakyti, kad krakmolas turi platų pritaikymą fermentacijos pramonėje nes yra puiki žaliava spirito, gliukozės –fruktozės ir kitų sirupų gamyboje, kurių paklausa kiekvienais metais auga.
2. Krakmolo sudėtis yra dvilypė (amilozė ir amilopektinas), todėl jam hidrolizinti naudojami skirtingi fermentai.
3. Gaminant spiritą iš krakmolingos žaliavos produkto išeiga ir otimalūs technologiniai režimai priklauso nuo krakmolą turinčios žaliavos prigimties (grūdai,bulvės ir t:t).
4. Gaminant spiritą fermentaciniu būdu, parenkamos “švelnios” sąlygos, užtikrinančios optimalią fermentų koncentraciją ir jų veiklumą gamybinėmis sąlygomis. Kadangi fermentai pasižymi ypatingu jautrumu temperatūrai, pH ir kitiems faktoriams, technologiniai režimai parenkami taipč kad procesas neinaktyvuotų fermentų.
5. Krakmolo fermentacijos procesas yra laipsniškas ir vyksta stadijomis, susidarant tarpiniams produktamsč kurie taip pat gali turėti pritaikymą ir neišmetami kaip atliekos.
6. Fermentuojant krakmolą iš kukurūzų gautas sirupas gali būti toliau perdirbamas, ir panaudojamas fruktozės kaip diabetinio produkto gavimui.
6. Literatūra
1. J. Bernatonis Bendroji maisto produktų technologija 1 dalis. –Vilnius: Mintis –1975.2. J. Bernatonis Bendroji maisto produktų technologija 2 dalis. –Vilnius: Mintis –19773. Н. Д. Лукин, В. Д. Гоичаров Произвотство сахарных продуктов из кракмала в Росии и за рубежом/ Сахарная промышленность, 1997, № 1.4. З. Н. Пантелеева, З. А. Прищепова, А. И. Хижияк, В. А. Смирнова О производстве сахара из свеклы и глюкозного сиропа с высоким содержанием фруктозы/ Пищевая промышленность, 1989, № 11.5. С. П. Комбарова, И. М. Грачева Глюкозоизомераза и ее приминение/ Пищевая промышленность, 1991, № 5.6. E. Grinienė Statinė biochemija, -Vilnius: Leidybinė redakcinė komisija, 1981.7. A. Glemža Fermentai. –Vilnius: Mokslas, 1987.8. H. H. Трегубов, Е. Я. Жарова, А. И. Жушман, Е. К. Сидарова Технология крахмала и крахмало продуктов. –Москва: Легкая и пищевая промышленность, 1981.9. Н. Р. Андреев Сахаристые крахмало продукты/ Пищевая промышленность, 1993, № 9.10. Enzymes for the Starch industry. Bioindustrial Group Novo Nordisk A/S. Denmark, 1990.11. Edited by G.M.A. Van Beynum J.A. Roels Starch conversion technology. – New York and Basel, 1985.