Разработка комплексной технологии получения БАД из пивной дробины на основе биотехнологических принципов

Актуальность работы. Пивоваренная отрасль является одной из ведущих в пищевой промышленности России и других стран.

Получение конечного продукта происходит с образованием различных, так называемых, вторичных сырьевых ресурсов (ВСР) — отходов, являющихся ценным сырьем для создания других продуктов, в том числе и пищевых.

Актуальность вопроса утилизации ВСР уже давно ни у кого не вызывает сомнений, так как в первую очередь это связано с вопросом экологии. Из ВСР пивоваренного производства наибольший интерес, как по количеству, так и по качественному составу вызывает пивная дробина.

Известны основные пути ее применения: использование в качестве корма для скота; для выращивания плесневых грибов и дрожжей; после специальной обработки — в качестве добавок в различные пищевые продукты. Однако многие аспекты до сих пор не реализованы в промышленных масштабах.

В последние годы достаточно широко и успешно применяют активаторы брожения, к которым следует отнести вещества жирного ряда, различные экстракты, витамины, азотсодержащие вещества, минеральные соли.

В связи с вышеизложенным, актуальным следует считать исследования и разработку технологии получения биологически активной добавки (БАД) из ВСР и применение их для интенсификации процессов брожения.

Цель и задачи исследования. Цель работы — разработка комплексной технологии получения БАД из пивной дробины на основе биотехнологических принципов.

В рамках поставленной цели решались следующие задачи:

1. обосновать параметры обработки пивной дробины экологически чистыми реагентами для ее дезинфекции;

2. выбрать и проанализировать применение ферментных препаратов (ФП) для получения ферментолизата пивной дробины;

3. теоретически обосновать и экспериментально подтвердить целесообразность использования спирулины платенсис в качестве дополнительного источника питания БАД для интенсификации процессов брожения;

4. исследовать и установить способ обработки ферментолизата пивной дробины для интенсификации процесса брожения кваса и пива;

5. получить БАД и исследовать состав в сравнении с известным зарубежным аналогом;

6. провести опытно-промышленную апробацию предложенной технологии и рассчитать экономическую эффективность от применения БАД при производстве продуктов брожения (на примере кваса).

Научная новизна работы. Исследованы дезинфицирующие свойства электрохимически активированных (ЭХА) растворов при переработке дробины.

Проанализированы и выбраны ферментные препараты (Laminex®BG2+ Alphalase®AP3; Ondea Pro), позволяющие эффективно проводить биокатализ основных составляющих пивной дробины.

Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено использование спирулины платенсис в качестве дополнительного источника питания БАД для интенсификации процессов брожения.

Исследованы физические методы (перемешивание, гомогенизация, УЗ — обработка) обработки ферментолизата пивной дробины и установлены параметры обработки для максимального извлечения азотистых и редуцирующих веществ.

Исследованы аминокислотный и углеводный составы, полученной БАД и проведен ее сравнительный анализ с известным зарубежным аналогом.

Практическая значимость работы. Разработана технология производства БАД из пивной дробины для интенсификации процесса брожения:

— разработаны режимы дезинфекции пивной дробины анолитом, полученном на установке СТЭЛ, в результате которой увеличился срок её хранения в 3−4 раза с сохранением асептики;

— проведен сравнительный анализ биокаталитических свойств ФП для интенсивной биодеградации пивной дробины;

— подобраны условия действия выбранного ФП, при применении которого концентрации азотистых и редуцирующих веществ в ферментолизате увеличена по сравнению с исходным сырьем в 4,2 и 3,7 раз соответственно;

— исследовано влияние физических и химических приемов и разработана дополнительная стадия в технологическом процессе получения БАД — обработка ферментолизата ультразвуком и дополнительное введение источника витаминов в виде препарата спирулина платенсис. Разработанные приемы позволили интенсифицировать процесс брожения на 20−30% при одновременном улучшении качества готового продукта;

— разработана ТИ получения БАД на основе пивной дробины;

— в производственных условиях ООО «Солар Бир"(г.Москва) проведена промышленная апробация БАД;

— ожидаемый расчётно-экономический годовой эффект от внедрения технологии утилизации пивной дробины для получения 10 т БАД составляет 1 млн 940 тыс. руб.

ферментный пивной дробина спирулина

Глава 1. Обзор научно-технической литературы

1.1 Пивная дробина, как ценный источник питательных веществ среди вторичных сырьевых ресурсов

В настоящее время структурная и инвестиционная политика в пищевой промышленности РФ ориентирована на использование ВСР (вторичные сырьевые ресурсы) в основном, в непереработанном виде, в результате чего теряется до 40% ценных питательных веществ. Более 70% (от объема образования) ВСР скармливается животным в естественном виде и только 15−20% направляется на промпереработку, в результате чего вырабатывается около 1,0 млн. т продукции в год.

В пивоваренном производстве полезными отходами являются: зерновые отходы при очистке и сортировке ячменя, сплав ячменя при его замачивании, солодовые ростки, получаемые при ращении и сушке солода, зерновые отходы при полировке солода, пивная дробина после варки сусла, белковый отстой при охлаждении сусла и пивные дрожжи, образующиеся в процессе брожения.

Наиболее важным отходом пивоваренного производства как по количеству, так и по питательным свойствам, является пивная дробина, которая состоит из плодовых и зерновых оболочек ячменя и других нерастворимых в воде веществ.

1.1.1 Характеристика пивной дробины Пивная дробина — побочный продукт пивоваренной промышленности, получаемый при выработке сусла из ячменя и солода.

На 100 кг переработанных зернопродуктов получается 120…125 кг сырой пивной дробины, содержащая 20…25% сухих веществ.

Свежая пивная дробина представляет собой гущу коричневатого оттенка со специфическим запахом и вкусом, в которой может оставаться до 77% белковых веществ и 80% жира, содержащиеся в продуктах затирания.

Пивная дробина содержит оболочки, крахмал неосахаренный и различные нерастворимые вещества эндосперма.

Количество образующейся пивной дробины зависит от множества факторов, в том числе от качества и выбора затираемых зернопродуктов, используемой технологии оборудования и т. д.

Химический состав пивной дробины представлен в таблице 1.

Таблица 1. Химический состав пивной дробины

Зола пивной дробины содержит фосфорного ангидрида 40,5%, оксиды калия 3,9%, кальция 0,5%, магния 11,5%, кремния 23,3%.

Обнаружены такие сахара как — манноза, ксилоза, арабиноза, глюкоза и галактоза. Высокое содержание глюкозы (17,85%) в трудногидролизуемой фракции показывает, что состав пивной дробины содержит целлюлозу и трудногидролизируемый в-глюкан.

В жидкой фазе пивной дробины были обнаружены липидные вещества, которые представлены в основном триглециридами, свободными жирными кислотами и фосфолипидами.

Дробина обладает хорошей усвояемостью и благоприятным влиянием ее состава на пищеварительную систему животных, благодаря чему ее относят к ценным кормам. Протеин дробины содержит все незаменимые аминокислоты.

Главный технологический показатель пивной дробины — общий экстракт, не должен превышать 1,5−2,0%, в том числе вымываемый 0,6−0,9% и невымываемый 0,9−1,3% к массе сырья [88], с увеличением влажности дробины — экстрактивность уменьшается.

1.1.2 Способы использования пивной дробины В пивоварении, как одной из отраслей пищевой промышленности, образуется огромное количество различного рода отходов (до 1 млн. т). Основным из этих отходов является дробина, на долю которой приходится около 80% от всей массы.

Хранят дробину в специально оборудованных бункерах. При хранении пивной дробины в течении месяца происходит накопление уксусной кислоты в количестве 125,7±0,13 мг/кг, что приводит к увеличению ее экологической опасности (IV класс опасности отхода) [72,73].

Производители пива заинтересованы в сбыте пивной дробины, в частности в летний период года, когда она подвергается более интенсивному разложению. Реализацию пивной дробины осуществляют по обусловленной цене [28, 54, 96, 112, 121].

Следует выделить несколько направлений утилизации дробины, по которым проводятся научные исследования:

— использование вторичных сырьевых ресурсов (ВСР) пивоварения в процессах солодоращения и пивоварения [72, 158, 159];

— повышение питательной ценности вторичных сырьевых ресурсов (ВСР), используемых в качестве корма, получаемый способом гидролиза плохо усвояемых полисахаридов [72,144];

— повышение питательной ценности углеводсодержащих отходов, идущих на кормовые цели путем добавления белка микробного происхождения, минеральных солей, органических соединений (пептидов, аминокислот и др.) и обезвоживания [72, 137,145,146,166];

— производство антибиотиков и других биологически активных веществ используемых для корма или добавок в корма птице и молодняку [72, 138,150];

— производство пищевого белка, аминокислот, фармацевтических препаратов, косметических и парфюмерных добавок [25, 64, 72,147];

— использование отходов пивоваренной промышленности в производстве продуктов питания [72,104,135,142,148,155].

Пивная дробина в животноводстве В настоящее время одним из основных способов применения пивной дробины является ее использование в качестве корма. Она относится к лучшим видам отходов как по переваримости, вкусовым качествам, так и по содержанию протеина, обладает относительно высокими кормовыми достоинствами. Ее охотно поедают все виды животных [41,72,103,123].

Кормовые рационы свиней примерно на 34% состоят из пищевых отходов и 66% из комбикормов.

Пивную дробину рекомендуются скармливать на голову в сутки (кг): быкам-производителям — 4…5; коровам — 15…20; нетелям — 10…12; молодняку КРС старше года — 8…10; телятам до 1 года — 4…5; откормочному поголовью КРС −15…−20; хрякам и свиноматкам — 4…5; молодняку — 2…2,5; поросятам старше 4 месяцев и свиньям на откорме — 3…4.

Пивная дробина в свежем и сухом виде является хорошим молокогонным и белковым кормом, поэтому с успехом используется для скармливания коровам и для откорма крупного рогатого скота и свиней. Кормовые достоинства 100 кг дробины составляет для свежей дробины 23 кормовых единицы, а для сухой — 80 единиц.

Как видно из табл.1, пивная дробина содержит витамины группы В, Е, что в свою очередь является необходимыми компонентами кормления сельскохозяйственных животных, и без них невозможно обеспечить сбалансированное питание, а, следовательно и высокую продуктивность.

Однако, пивная дробина бедна минеральными веществами и водорастворимыми витаминами, поэтому наиболее целесообразно использовать ее для откорма КРС совместно с биотрином. В ходе опытов было установлено, что она обогащает рацион протеином и способствует повышению обмена его в организме коров, а также несколько улучшает использование кальция и фосфора. В рационы коров возможно вводить до 20% (по питательности рациона) дробины.

Введение

в рацион откармливаемых свиней пивной дробины до 11% по питательности повышает среднесуточные привесы на 8%. Как показали результаты экспериментов, расход кормов на 1 кг привеса был на 0,32 кормовой единицы меньше, чем в группах животных, получавших дробину в количестве 2% от питательности рациона. Можно отметить, что свиньи усваивают ее несколько хуже, чем жвачные. Так, жвачные переваривают сырой протеин дробины на 68…73%, а свиньи — только 58,9%. Наиболее эффективно для КРС и свиней пивную дробину использовать в свежем виде.

Японскими учеными предложен способ приготовления свежего корма для КРС с длительным хранением. В соответствии данному способу вторичные сырьевые ресурсы (ВСР) пивоваренного производства, содержащие 75−85% воды смешивают с ячменной либо пшеничной мукой, чтобы довести влагосодержание до 75%, также вносят 0,2−0,3% сахарного сиропа, далее полученную смесь герметично упаковывают.

Пивная дробина в производстве кормопродуктов

В отечественном пивоварении 75−78% вырабатываемого ценного экстрактсодержащего сырья используется на производство пива разных сортов. Оставшаяся часть сухих веществ — это ВСР и отходы производства.

Наличие в них значительных количеств сырого протеина, некрахмальных полисахаридов, витаминов и минеральных веществ обусловливает целесообразность их применения на кормовые, пищевые и другие цели в различных отраслях народного хозяйства РФ. В условиях слабой кормовой базы РФ рациональное использование ВСР и отходов пивоварения в кормовых целях, применяемых в настоящее время только в виде сырой пивной дробины со сроком хранения 24 ч, особенно актуально.

Свежая пивная дробина, применяемая в виде кормового средства обладает рядом определенных недостатков:

— малая стойкость при хранении, вследствие содержания в ней веществ, подвергающихся быстрой порче (срок хранения пивной дробины не более 24 ч) [49,64,79];

— неполная усвояемость отдельных ингредиентов скотом.

По этой причине невозможно широкое использование пивной дробины. При температуре 15−30єС дробина обсеменяется и прокисает, поэтому актуален вопрос разработки и внедрения методов консервирования и конверсии дробины, которые позволяли бы сохранять кормовые качества сырья [74,99].

Консервирование пивной дробины Одним из основных способов консервирования пивной дробины является сушка.

В производстве широко распространены процессы сушки, в частности обработка материала во взвешенном слое, что является одним из средств интенсификации производства. За счет использования взвешенного слоя удается сократить время обработки материалов применением более высоких скоростей материальных потоков [37,38,82,102].

Сушка — весьма сложный комплекс тепловых, диффузионных, биологических и химических явлений, особенно при интенсивных режимах. Интенсификация сушки невозможна без знания ее закономерностей, без глубоких предварительных исследований, как в теоретическом, так и в экспериментальном плане, использования обширного математического аппарата. Процесс сушки сопряжен с рядом специфических трудностей, среди которых основными: малая скорость процесса, неравномерность нагрева и влагоудаления, пожароопасность и др. Конечной целью сушки является получение качественного продукта, удовлетворяющего условиям хранения и транспортировки [37,82,87].

Кроме сушки, существуют другие способы консервирования пивной дробины, поскольку сушка с экономической точки зрения не всегда оправдана. Это высокая энергоемкость (40 000 — 60 000 ккал на 100 кг дробины); потеря до 15% с/в при отжатии, предшествующем сушке.

В связи с этим пивную дробину часто вместо сушки обезвоживают. С целью сокращения массы транспортируемого продукта. Поэтому сначала удаляется излишняя жидкость. Для этих целей чаще всего применяются нутч-фильтры. Далее дробину подвергают дополнительному обезвоживанию на винтовых шнеках, в которой твердая фаза приобретает прессованный или брикетированный вид продукта влажностью 60−65%.

Предложено обезвоживать пивную дробину до 30% сухих веществ методом гравитационной фильтрации, предварительно смешивая ее с раствором коагулянта, что способствует формированию хлопьев, которые удерживаются на фильтрационной ткани [48,151].

Сохранность пивной дробины обеспечивает консерванты и силосование. В качестве закваски для силосования используют как продукты растительного происхождения: кормовой подсолнечник, патоку, так и различные химические препараты: органические и минеральные кислоты [45,139,162].

Установлено, например, что эффективными консервантами для дробины являются растворы 0,4%-ной пропионовой кислоты, 0,2…0,4%-ной муравьиной кислоты, 0,4%ной смеси этих кислот. Обработка ими в количестве 1% от консервируемой массы позволяет сохранить пивную дробину в течение 14 суток [41,94].

Авторами предложен метод стабилизации дробины препаратами заквашенной и сгущенной сыворотки. При этом начальная кислотность дробины должна быть доведена используемым препаратом до pH 4. При этом методе качество сохранности дробины составляла 4 недели.

В исследованиях Сазоновой И. А., где дробина под влиянием консервантов в анаэробных условиях органолептические свойства, присущие пивной дробине, сохранялись в течение всех трех месяцев исследования. В консервированной пивной дробине, практически, не изменялось содержание влаги и минеральных веществ. В то же время в ней наблюдалось снижение pH, а к концу опыта (90 дней) содержание лактата в дробине увеличилось в 12−15 раз, тогда как в контрольной партии в 7 раз. К 30 дню эксперимента в контрольной партии, по сравнению с сырой пивной дробиной, уменьшалось содержание протеина на 40%, жира — на 14%, а клетчатки — на 28%. В опытных партиях же содержание протеина, жира и клетчатки оставалось на исходном уровне. Аналогичные результаты были получены и через 90 дней консервации. Следовательно, химические консерванты, по данным исследования особенно бензоат натрия являются весьма эффективными стабилизаторами сырой пивной дробины, биологическая ценность которой не изменяется в процессе достаточно длительного времени, т. е. в течение 3-х месяцев.

Исходя из вышеизложенного, можно говорить о том, что существуют многочисленные способы консервации пивной дробины для повышения срока её хранения.

Авторами предложены следующие методы сохранения дробины для кормовых целей — сушка, обезвоживание, консервирования силосование, а также гранулирование [74,76,77].

Одним из основных способов консервирования пивной дробины является сушка.

В США и ряде других стран пивную дробину сушат [71,91,149].

Необходимость консервирования сырой пивной дробины можно объяснить, если исходить из логистики, а также более длительному сохранению ее технологических показателей.

С экономической точки зрения, производство сухих кормопродуктов на основе пивной дробины имеет высокую рентабельность.

Обладая хорошей транспортабельностью, сухая дробина при ее использовании для производства комбикормов может в значительной мере способствовать рациональному регулированию кормовых балансов в животноводстве отдельных экономических районов России [34,98,115].

Сушка пивной дробины проводится в ротационных и пневматических сушилках при температуре не более 60єС во избежание снижения питательной ценности. Для этого применяют простейшие барабанные сушилки разных конструкций.

Григорьевым М.А. проведены исследования, на основании которого разработана ресурсосберегающая технология с использованием пивной дробины и ржаного сусла для производства белково-аминокислотного препарата. Продукт, полученный по данной технологии, может быть использован в качестве составляющей для премиксов.

Одним из приемов повышения кормовой и пищевой ценности дробины является обогащение ее белком путем смешивания с другими отходами производства. Это позволяет восполнить запасы белка у животных без применения других азотистых добавок. Разработчиком данной технологии является ГНУ ВНИИПБиВП. Для производства белково — кормового продукта применяют следующие ВСР, % на сухое вещество: дробину пивную — 80,0; дрожжи пивные — 5,5; белковый отстой — 6,5; полировочные и аспирационные отходы [цитировано по 73].

Принципиальная технологическая схема, предложенная ГНУ ВНИИПБиВП, включает следующие стадии: разделение и обезвоживание, подработка пивной дробины, внесение других отходов и добавок, выпаривание фильтрата, сушка твердой фазы, гранулирование готового кормового продукта, упаковка. Были получены следующие показатели исследований: сухое вещество — 90%, в том числе сырой протеин — 19−22%, кормовая ценность — 0,76 к.е. [73,110].

Для повышения кормовой ценности дробины, также могут использованы ферментные препараты цитолитического и протеолитического действия. При комплексной обработке этими ферментами более 50% сухих веществ гидролизуется до растворимого состояния.

Авторами разработан продукт с повышенной биологической ценностью, обогащенный белком и другими ценными веществами, полученный способом биотрансформации пивной дробины. Содержание белка увеличивается на 58%. Также установлено увеличение содержания аминокислот лизина и метионина на 20−25%.

Пивная дробина в роли питательной среды По результатам многих исследований, пивную дробину можно считать хорошим субстратом для выращивания одноклеточного белка, который применяется в различных пищевых продуктах и кормах.

Под одноклеточными белками понимают — дрожжи, бактерии, грибы и водоросли.

Белок, полученный нетрадиционным путем, то есть из пищевых и сельскохозяйственных отходов, может быть применен в пищевых целях в случаях, если он удовлетворяет ряду требований: 1) низкая себестоимость продукта; 2) соответствие предъявляемым медико — биологическим требованиям; 3) технологические свойства продукта.

Из этих условий особенно важно второе, поскольку белок должен быть свободным от токсинов, не являться аллергеном и характеризоваться высокой усвояемостью. Исходя из этого положения можно считать наиболее перспективным направлением применение непатогенных микроорганизмов и их выращивание на субстратах, не содержащих вредных для здоровья человека соединений, так как очистка белков от вредных примесей без нарушения реологических свойств продукта очень трудна, а в ряде случаев невозможна.

С целью рационального использования основных отходов пивоваренного производства наиболее целесообразно комплексное использование солодовой и хмелевой дробины, остатков пивных дрожжей, солодовых ростков и белкового отстоя, при использовании также замочной воды из солодовни вместо свежей.

Солодовая дробина занимает наибольшей удельный вес (85%) среди отходов, поэтому в основу переработки их была положена разработанная технология получения дрожжей из солодовой дробины. При этом отходы подвергаются термоферментативному гидролизу и на полученных гидролизатах выращивают кормовые дрожжи. Около 1/3 сухих веществ дробины, в основном углеводов, используется на гидролиз, 2/3 остаются негидролизованными и могут быть использованы на корм (белки, целлюлоза).

Переработка дробины путем гидролиза и последующего выращивания кормовых дрожжей по описанной выше технологии позволяет получить биотрин — ценную добавку в корм для свиней и птиц.

Быковой И.А. на основе разработанной ей модели управления органическими отходами отработанны различные варианты использования пивной дробины. Один из которых предусматривает использование пивной дробины (со сроком хранения менее 2-х суток) в качестве компонента субстрата для выращивания дереворазрушающего гриба вешенка обыкновенная, состоящего из соломы и лузги в соотношении 1:1. Достоинством этого варианта использования пивной дробины является наличие в отходе одновременно клетчатки и белка, с добавлением которых в субстрат грибы могут обогащаться азотом, что приводит к увеличению их питательности.

Исследования показали, что в сравнении с соломой и лузгой дробина имеет значительные преимущества, поскольку содержит протеина в 3 раза больше, чем солома, и в 3,5 раза больше, чем в лузге.

Исходя из химического состава пивной дробины, есть основания предполагать, что пивная дробина может использоваться как питательная среда для микробного биосинтеза Таким образом, как показывают исследования, использование пивной дробины, как компонент питательной среды для культивирования микроорганизмов довольно таки перспективно.

Пивная дробина в пищевой промышленности

Пивная дробина является одним из перспективных компонентов для использования в пищевой промышленности, для производства биологически активных добавок к пище и функциональных композиций в хлебопекарной, кондитерской, мясоперерабатывающей и других областях промышленности, а также в кормопроизводстве.

В связи с этим, поскольку в настоящее время очень перспективны безотходные и малоотходные технологии переработки растительного сырья, а также ведется активный поиск новых источников, в том числе нетрадиционных, биологически активных веществ, то целесообразным является использование и переработка пивной дробины как ценного биологически активного сырья в пищевых целях, а также при производстве биологически активных добавок.

Авторы предлагают следующий способ получения биологически активной муки из пивной дробины, который включает предварительное прессование исходной сырой пивной дробины с содержанием сухих веществ более 20% с дальнейшим выделением твердой отпрессованной фракции и удалением жидкой фракции. Затем твердую фракцию подвергают сушке при температуре 40−60 єС с одновременным частичным измельчением. Далее высушенная пивная дробина поступает в молотковую дробилку с сеткой диаметром отверстий 1 мм, а оттуда измельченная пивная дробина подается на сито с диаметром отверстий 0,2 мм с получением биологически активной муки со степенью дисперсности 60 мкм. Конечная мука содержит жирные кислоты в следующем составе: миристиновая до 0,85%; пентадекановая до 0,6%; пальмитиновая до 40,0%; пальмитолеиновая до 8,93%; гептадекановая до 0,35%; стеариновая до 6,6%; олеиновая до 11,2%; линолевая до 32,14%; линоленовая до 2,35, а также содержит витамин Е в количестве 2 мг на 100 г муки. Данная технология получения биологически активной муки из пивной дробины является универсальной, позволяет максимально сохранить все ценные биологически активные компоненты исходной пивной дробины и обеспечивает конечному продукту широкие функциональные оздоровительные свойства, позволяющие использовать ее как в питании животного и человека.

Антиповым С.Т. и др. предложен способ получения пищевой биодобавки. Изобретение относится к переработке отходов пивоваренного производства. В данном способе получения пищевой биодобавки из вторичных сырьевых ресурсов пивоваренного производства получение твердого компонента осуществляют путем удаления из исходного сырья влаги в активном гидродинамическом режиме с зонами сушки и досушки. Затем непрерывно смешивают его с жидким компонентом. Осуществляют окончательную сушку полученной смеси в активном гидродинамическом режиме тем же сушильным агентом, что и при получении твердого компонента.

Задачей изобретения является повышение качества компонентов смеси, питательной ценности твердого компонента, пивной дробины, и эффективности сушки полученного продукта [9,10].

Предлагается использовать пивную дробину, как продукт с высоким содержанием клетчатки в хлебопечении, т.к. дробина содержит большое количество белка и диетической клетчатки (3:7), по питательной ценности не уступает пшеничным отрубям [153], а также не содержит вредных веществ [135,140,141−143].

В основном дробина используется в технологии хлебобулочных изделий в качестве пищевой добавки.

В Великобритании есть опыт добавления в хлеб, печенье муку из пивной дробины. Готовый продукт при этом приобретает вкус солода.

Блинковым разработана технология производства ксилита. Исключительность технологии заключается в ее безотходности. Также все побочные продукты находят свое применение. Из 1 тонны дробины, кроме ксилита, получается около 50 кг белкового концентрата, которые имеют место применение в хлебопекарной промышленности в качестве ценных добавок. Остальные полупродукты можно использовать как корм для сельскохозяйственных животных. Особенность технологии — в гидролизе. Слегка изменив условия гидролиза, можно как из пивной дробины, так и из других растительных отходов, получить — этиловый спирт, а также активированный уголь, углекислоту в виде сухого льда, некоторые энтеросорбенты медицинского и ветеринарного назначения, фурановые кислоты [27,105].

В университете Британской Колумбии пивная дробина привлекла внимание по своим качествам, как возможный компонент многих пищевых продуктов. В частности, как источник полезных балластных веществ [163,164].

Применение пивной дробины открывает широкую перспективу для одновременного решения трех проблем: охраны окружающей среды, создания «экологически чистых» и высококачественных пищевых продуктов, а также снижения себестоимости в производстве различных продуктов.

Пивная дробина в потенциале может обладать большим спектром применения.

К примеру, Ковалев Н. Г., Рабинович Р. М., Сульман Э. М. и др. разработали технологию получения компоста с использованием пивной дробины. Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к способам переработки навоза и другого органического сырья. Способ включает перемешивание послойно уложенных органических отходов и торфа, загрузку смеси в ферментер и последующее аэробное компостирование смеси посредством периодического вентилирования ее воздухом при влажности смеси 50−60%. В состав исходной смеси дополнительно вводят пивную дробину в количестве 10−20% к общей ее массе, которую перед операцией перемешивания компонентов смеси послойно укладывают с предварительно измельченными до гранулометрического состава от 0,1 до 10 мм органическими отходами и торфом. Органические отходы и торф вместе с пивной дробиной берут в соотношении 50:50. Периодическое вентилирование смеси проводят в течение 7 суток по 20 секунд каждые 10 минут. Способ позволяет улучшить характеристики компоста выражающиеся в высокой питательной ценности при использовании в качестве удобрения.

В работе установлено, что хранившаяся пивная дробина, используемая в качестве органического удобрения — мелиоранта со свойствами компоста, в дозах от 20 до 80 т/га нейтрализует кислотность солонцовых почв и увеличивает урожайность ячменя. Оптимальной следует считать дозу дробины 80 т/га, при которой наблюдается максимальный 50% - ный прирост урожайности и 52%-ный прирост кормовой ценности ячменя.

Пивная дробина имеет также совсем нестандартное применение. В частности, в роли реагента для обработки буровых растворов. Относится к реагентам для обработки минерализованных буровых растворов, которые улучшают технологичность в использовании реагентов при отрицательных температурах.

Изучив литературные источники в области использования пивной дробины, можно говорить о большом потенциале его применения.

1.2 Электрохимическая обработка воды и растворов

1.2.1 Общие сведения о ЭХА воде и технологии ее получения За последние 30 лет интенсивно развивается новое научно-техническое направление — электрохимическая активация (ЭХА) воды и водных растворов. Известно, что идеально чистой воды в природе не существует. Даже дистиллированная вода содержит до 5мг/л примесей. Вода поверхностных источников и подземная вода для водопользования — технических целей и бытового потребления — подвергается очистке и обезвреживанию различными методами — фильтрацией, сорбцией, обработкой химреагентом, а также электрохимическими способами.

С целью повышения активации воды применяют следующие способы:

— дегазация воды и магнитная обработка [47];

— конденсация паров воды с возникновением ее стойкой модификации с плотностью 1,4 или температурой активации воды и водных ресурсов [50];

— электрохимическая активация воды.

Электрохимическая активация как физико-химический процесс — это совокупность осуществляемых в условиях минимального выделения тепла электрохимического и электрофизического воздействий на воду с содержащимися в ней ионами и молекулами растворенных веществ в области пространственного заряда у поверхности электрода (либо анода, либо катода) электрохимической системы при неравновесном переносе заряда через границу «электрод-электролит» электронами.

ЭХА водных растворов — это процесс перехода растворов в метастабильное состояние, вызванное структурно — энергетическими и электрохимическими изменениями в электрическом поле, в результате которых растворы в течение периода релаксации проявляют аномальные свойства в физико — химических превращениях, в частности такими показателями, как значение pH и ОВП (ц, окислительно — восстановительным потенциалом) [15,16,17,67,70].

Термин «электрохимическая активация» предложен Бахиром В. М. в 1975 году после установления факта релаксационных изменений параметров разбавленных растворов в результате предшествующего униполярного электрохимического воздействия [15,92].

В начале 80-х годов была сформулирована концепция развития электрохимической активации: модульные электрохимические реакторы — универсальный инструмент в руках исследователей и основа совершенных промышленных электрохимических аппаратов для различных экологически чистых технологий.

ЭХА водных сред используется в настоящее время в процессе разработки новых, достаточно эффективных экологически чистых ресурсосберегающх технологий, например технологии глубокой очистки воды и технологии очистки поверхности полупроводниковых материалов [18,68].

На перспективность ЭХА жидкостей указывают многочисленные примеры их использования в промышленности, сельском хозяйстве и медицине.

ЭХА вода (католит) содержит больше минеральных веществ по сравнению с обычной водой: калия на 19,0%; магния — на 4,5%; кальция — на 5,7; нитратов меньше — на 7,4%.

К настоящему моменту исследования феномена и технологий ЭХА имеют обширную географию, включая США, Англию, Германию и ряд других стран.

ЭХА применяют с целью регулирования и оптимизации процессов на различных технологических этапах производства.

ЭХА проводят путем униполярной обработки воды в электролизере (активаторе) с диафрагмой — полупроницаемая перегородкой, разделяющей его на катодную и анодную камеры (зоны), в которых расположены соответственно катод и анод. Исследования этого явления выявили, что ЭХА связана с комплексом воздействий на свойства водносолевых систем, протекающих на электродах электроактиватора. В простейшем случае во время электрообработки за счет электрохимических и химических превращений жидкость в катодной камере (католит) превращается в раствор щелочей и восстановителей, в анодной камере — кислот и окислителей. ЭХА осуществляют в разбавленных растворах, например, с концентрацией веществ? 0,01моль/дм³ в пресной воде, или до 5 г/дм³ [31,104] в воде с добавлением минеральных солей при высоком значении внешней поляризующей электродвижущей силы (ЭДС). В этих растворах наряду с продуктами электролиза растворенных веществ возрастает роль электролиза растворителя, проявляются изменения растворителя и ионно-гидратные образования, возникают и промежуточные состояния реагирующих частиц (ионов различной степени окисления, молекул и радикалов) [34,55,57].

Исследовано и установлено, что в результате обработки воды постоянным электрическим током в зоне одного из поляризованных инертных электродов — диафрагменного электролизера, возникает метастабильное состояние водной системы с повышенным уровнем внутренней потенциальной энергии, которое вызывает значительное изменение в ее реакционной способности и скорости протекания химических процессов[52].

Авторами изучено перераспределение ряда металлов — примесей воды при её электроактивации. Показано, что при электроактивации концентрации меди, цинка, никеля, железа в католите уменьшились (по сравнению с исходной водой) в 2−10 раз, в анолите изменения менее значительны.

Величина рН является наиболее важным показателем, характеризующим свойства активированной воды. Значение данного показателя позволяет оценить состояние воды, характер физико-химических и биохимических процессов, происходящих в ней, а также определяет направление и длительность фазово-дисперсных превращений примесей.

В ЭХА растворах на основе минеральных солей с различными показателями минерализации крайние сочетания pH и ОВП следующие [86]: для анолита pH 0−1, ОВП 1000−1150 мВ; для католита pH 11,5−12,5, ОВП- 750 — -850 мВ. В обычных лабораторных условиях достичь таких отклонений ОВП водных сред с помощью добавок различных реагентов к неактивированной воде невозможно.

После электрохимической обработки воды показатели pH и ОВП (анолита и католита) выходят не только за пределы допустимого химического регулирования, а также за пределы термодинамической устойчивости воды.

1.2.2 Использование ЭХА водных растворов в качестве дезинфицирующих средств Описан ряд способов применения ЭХА растворов хлорида натрия — анолита для дезинфекции в птицеводстве, животноводстве и других отраслях. Возможность получения функционально-полезных растворов различного назначения функционально-полезных ЭХА, как экологически чистую технологию, весьма полезной для аграрно-промышленных предприятий, в т. ч. для фермерских хозяйств, поскольку реализуются ЭХА с помощью малогабаритных, высокопроизводительных, простых в обслуживании установок [24, 53, 84, 86, 97, 119,120].

Католит, полученный даже из слабоминерализованной воды обладает повышенной адсорбционно-химической активностью, что позволяет ему проникать в капилляры гидрофильных твердых структур и очищать их от загрязнений, дезинфицируя.

Дезинфекция с помощью ЭХА водных растворов — экологически чистый метод. Расходы в этом случае значительно ниже, чем при применении химических и биопрепаратов.

Анолит внесён в реестр дезинфицирующих средств, разрешённых для применения на территории РФ.

Анолит успешно применяется для дезинфекции помещений, клеток, тары, обеззараживание грубых кормов для зверьков, для профилактики заболеваний повышения эффективности их выращивания.

Обработка ЭХА водой обходится дешевле, чем известными методами. В изобретении используют анолит на основе 0,1−1%-ного раствора NaCl. Степень обеззараживания 87−95%.

В работах [1,86], с целью снижения потерь цитрусовых плодов при хранении и увеличении продолжительности хранения водносолевой раствор (NaCl) обрабатывают в анодной зоне диффрагменного электролизера до pH 2−2,5 с ОВП 400−600 мВ и обрабатывают плоды в течение 3−4 минут, хранят при относительной влажности 85−90%, поддерживаемой распылением водносолевого католита с pH 10,6−11,5 и ОВП- - 800 мВ. Например, за 90 суток хранения массовая доля потерь от микробной порчи составляет 2,5% против 5,5% в контроле, от усыхания сокращаются потери от 20,5% до нуля.

1.2.3 Применение ЭХА воды в пищевой промышленности В 1998 году в США на целевую программу замены дезинфектантов в перерабатывающей промышленности был затрачен 1 млрд долларов. Принцип электрохимической активации воды используется для получения активированных фракций воды: дезинфицирующих, стерилизующих — анолит и моющих — католит. Полученные растворы применяются в медицине, сельскохозяйственном, промышленном производстве, ветеринарии и других отраслях народного хозяйства.

Продукты, полученные в технологических процессах с применением электрохимически активированных воды или растворов, обладают стабильными во времени физико-химическими параметрами и характеристиками (цитировано по [18]).

В исследованиях Бушиной И. А. [29], коньяк приготовленный с использованием ЭХА воды получил наиболее высокую дегустационную оценку (8,55 баллов). Этот образец отличался более мягким, гармоничным и чистым вкусом, его дегустационная оценка была выше на 0,15−0,35 балла, по сравнению с аналогичными образцами, приготовленными на воде, умягченной другими способами. Анализировали купажи коньяка, приготовленные на ЭХА воде, хранившейся от 0 до 4 суток. Установлено, что все образцы купажей коньяка, приготовленные на ЭХА воде и прошедшие послекупажный отдых не различались по своим органолептическим показателям.

Апаликовым М.А. исследовано, что выпаивание свиней ЭХА водой — католитом в количестве 50г/кг живой массы и увлажнение комбикорма в расчете 3:1 этой водой, оказывает положительное влияние на переваримость и использование питательных веществ. Так, переваримость организмом свиней сухого вещества оказалось выше в среднем в опытных группах на 0,9−7,0%, органического вещества — на 0,7−6,1%, сырой клетчатки — на 1,2−7,6% по сравнению с контрольной группой. Азот корма, кальций, фосфор лучшие использовали опытные свиньи, чем контрольные.

Казидо Г. М. предложено использовать ЭХА воду в обработки пивной дробины и использовать воду, как экстрагент для выделения белка. При значении pH =11,5, выход составляет 40%.

Из литературных данных известно о применении ЭХА-растворов, полученных на установке «СТЭЛ-20 АК», для экстракции хмеля. Согласно результатам эксперимента, использование ЭХА-растворов позволило уменьшить потери б-кислот, сократить порции задачи хмеля, сохранить качество готового пива, а также снизить себестоимость продукта.

Авторами исследовано, что применение ЭХА-растворов на стадии предобработки хмеля увеличивает содержание б-кислот в экстракте хмеля. При дегустационной оценке такой образец пива имел самую высокую оценку. Он отличался мягким, гармоничным вкусом и имел более высокую оценку по сравнению с аналогичным по составу образцами, приготовленными с использованием хмеля, обработанного водой различного способа умягчения. Параметры предобработки следующие: температура 45єС, pH 5,5, длительность экстракции 60мин. Подобранный режим предобработки хмеля экономически целесообразен и улучшает дегустационную оценку готового пива.

Авторами установлено влияние ЭХА воды на активность ферментов солода и препаратов микробного происхождения разного спектра действия. Растворы ферментов и вытяжек, приготовленных на анолите обладают более высокой активностью, что позволяет говорить об активации ферментов. Эксперименты также показали, что оптимальное время воздействия 15 мин, а дальнейшая активация не приводит к нужным результатам. При применении растворов ферментов на ЭХА-воде происходит увеличение экстрактивности солода и несоложеных материалов на 1−2% по сравнению с контрольным образцом. Кроме того, при уменьшении нормы задачи ферментов на 12% экстрактивность и время осахаривания остаются такими же, как и в контроле, что позволяет экономить дорогостоящие ферментные препараты.

Раствор анолита обладает не только бактерицидной и вирулицидной активностью, но также и спороцидной активностью, что обусловливает его использование не только для дезинфекции, но также для стерилизации в соответствии с методическими указаниями органов Госсанэпиднадзора.

Авторы производили смешивание анолита и микробных культур на жидких средах. Содержание оксидантов в анолите 130−150 мг/дм³. Использовали свежий анолит, приготовленный ex-tompara, и анолит со сроком хранения 3 дня. Исходная концентрация микроорганизмов в культуре — 10⁹ микробных клеток на миллилитр. Пропорции при смешивании анолита и микробной культуры:

1) 10 см³ анолита на 1 см³ культуры;

2) 1 см³ анолита на 10 см³ культуры.

Данные показали, что разведение живой культуры микробов на жидких средах в анолите в пропорциях «анолит/культура» 10:1 и 1:10 полностью подавляло жизнедеятельность микроорганизмов.

Таким образом, свежий анолит пригоден для обеззараживания объектов методом погружения или смачивания в присутствии органических загрязнений. При пользовании анолитом со сроком хранения 3 дня и более необходимо предварительно удаление органических загрязнений и увеличение времени экспозиции.

Электрохимически активированные анолиты обладают универсальным спектром действия, т. е. оказывают повреждающее влияние на все крупные систематические группы микробов (бактерии, грибы, вирусы и простейшие), не причиняя вреда клеткам тканей человека и других высших организмов, т. е. соматическим животным клеткам в составе многоклеточной системы.

Химический потенциал молекул и ионов в электрохимически активированных биоцидных растворах (ЭХА-растворах) намного выше, чем в неактивированных. Низкая минерализация ЭХА-растворов и их повышенная гидратационная способность, способствующая увеличению проницаемости клеточных стенок и мембран, создают условия для интенсивного осмотического и электроосмотического переноса оксидантов во внутриклеточную среду. Осмотический перенос оксидантов через оболочки и мембраны микробных клеток, ввиду существенного различия осмотического градиента этих типов клеток. Ускоренному электроосмотическому переносу оксидантов внутрь бактериальных клеток способствуют многочисленные электрически заряженные микропузырьки электролизных газов, создающие в зонах контакта с биополимерами мощные локальные электрические поля с высокой степенью неоднородности.

Известно, что электрохимическая активированная воды (в дальнейшем ЭХА вода) приобретает ряд уникальных свойств, область применения которых может быть достаточно широка для различных отраслей пищевой промышленности. В зависимости от способа получения воды (технологических параметров), аппаратурного оформления процесса (конструкции аппарата, состава и свойств его основных элементов) она может приобретать свойства антисептика для предотвращения микробиологической порчи продуктов, реагента, гидролизующего труднодоступные даже кислотам и щелочам субстраты и целый ряд других свойств, описанных в литературе.

Авторов привлекло внимание способность ЭХА воды повышать физико-химическую стабильность напитков при их бесконтактной обработке.

Работу проводили на установке типа «труба в трубе», внутри которой циркулировало пиво или сусло, а в наружной части ЭХА вода, имеющая щелочные значения рН.

Бесконтактной обработке подвергали готовое пиво (начальное содержание сухих веществ в сусле 11°), а также охмеленное и неохмеленное сусло. Критерием оценки являлась стабильность готового пива после обработки.

Отмечена корреляционная зависимость увеличения стабильности пива от скорости потока при бесконтактной обработке. При этом выявлено изменение вкуса готового пива после его обработки и сделан предварительный вывод, что данный метод должен рассматриваться в сочетании с корректировкой рецептур.

Анализируя литературные данные, можно предположить о широком применении ЭХА воды в различных отраслях пищевой промышленности и о её перспективности.

1.3 БАД в роли активаторов процессов брожения В настоящее время актуальной стоит задача интенсификации процессов брожения.

Активаторы брожения — это вещества, которые, действуя на дрожжи, как стимуляторы, активизируют их размножение и ускоряют весь процесс брожения, т. е. скорость ферментативной реакции [85,114,118]. К активаторам брожения относятся промежуточные продукты брожения, вещества жирного ряда, экстракты (дрожжей, плесневых грибов), витамины, азотсодержащие вещества, минеральные соли. Положительный эффект от применения вышеназванных препаратов обусловлен наличием аминокислот, витаминов, микрои макроэлементов, что благоприятно сказывается на метаболизме дрожжей.

Активаторы делятся на необходимые и несущественные [51]:

— необходимый активатор — реакция идет только в его присутствии;

— несущественный активатор — реакция идет и в его отсутствии, но с ним ускоряется.

В качестве активаторов могут выступать ионы металлов, органические кислоты, аминокислоты (содержащиеSH группу — глютатион).

Ценнейшей по своим биологическим свойствам является микроводоросль спирулина платенсис.

Спирулина платенсис (Spirulina platensis) — это многоклеточная спиральная нитчатая микроводоросль. Микроводоросль представлена под микроскопом в виде сине — зеленых нитей, состоящих из цилиндрических клеток, уложенных в неразветвленные цепи.

Спирулина платенсис обладает в составе множеством необходимых компонентов питательной среды — факторами роста (витаминами, аминокислотами, макрои микроэлементами), которые участвуют в процессе метаболизма дрожжей. Все эти компоненты содержатся в препарате в сбалансированном количестве.

Все эти вещества по отдельности и в совокупности при добавлении в бродящую среду дают ускорение сбраживания сахаров и накопления биомассы.

Результаты исследования свидетельствуют, что внесение водного раствора микроводоросли в сусло повышает бродильную активность дрожжей [6,23].

В настоящее время важным является попытка управления метаболизмом дрожжевых клеток в бродильных производствах. Регулирование метаболизма на клеточном и субклеточном уровнях осуществляется, прежде всего, путем регуляции синтеза и каталитической активности ферментов. Деятельность всех биологических структур клетки тесно связана с физиологическим состоянием организма и условиями окружающей среды. Внешние факторы определяют химический состав дрожжей, который в свою очередь обусловливают их биологическую функцию[131].

В качестве таких добавок используют различные подкормки, содержащие минеральные вещества, витамины и источники азота.

Автором установлено, что накопление такого необходимого микроэлемента, как фосфор в биомассе дрожжей Saccharomyces cerevisiae зависит от состава питательной среды. Добавление в сусло такого компонента как — гидроортофосфата аммония, позволяет получить питательную среду с высоким содержанием биомассы, которая благоприятно влияет на жизнедеятельность дрожжей.

Также активно могут использоваться различные гидролизаты (кукурузы, белкового отстоя, мяса и др.), являющиеся источником аминокислот. Автором было показано, что применение данных гидролизатов, как источник аминокислот позволяет получить на 15−20% больше выхода дрожжей.

Самый простой вариант создания активирующего комплекса — это составить набор из всех соединений, описанных в литературе, как факторы роста для дрожжей. Безусловно, это даст ощутимый результат для производства, но при детальном рассмотрении выявляется ряд особенностей, зачастую не учитывающихся при создании комплексов подкормок.

В современном производстве продуктов брожения важной задачей остается максимальная интенсификация процессов брожения с обязательным условием сохранения или улучшения качества готовой продукции. Ускорение процесса брожения в большей степени связано с биотехнологическими свойствами пивных дрожжей, с их физиологическим состоянием, которое меняется на различных фазах роста. Классические технологии не позволяют в полной мере использовать и поддерживать на высоком уровне активность дрожжей, в связи с чем процессы протекают более длительно.