LIETUVOS SVEIKATOS MOKSLŲ UNIVERSITETAS VETERINARIJOS AKADEMIJA
MAISTO SAUGOS IR KOKYBĖS KATEDRA
Edvino Drungilo
Aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio junginių formavimasis etanolyje,
gautame mikronizuotus rugius fermentuojant Saccharomyces cerevisiae
anaerobiniu būdu ir Helianthus tuberosus L. aerobiniu būdu
Magistro darbas
Darbo vadovė:
Doc. dr. Elena Bartkienė
PATVIRTINIMAS APIE ATLIKTO DARBO SAVARANKIŠKUMĄ
Patvirtinu, kad įteikiamas magistro baigiamasis darbas „Aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio
junginių formavimasis etanolyje, gautame mikronizuotus rugius fermentuojant Saccharomyces
cerevisiae anaerobiniu būdu ir Helianthus tuberosus L. aerobiniu būdu“
1. Yra atliktas mano paties:
2. Nebuvo naudotas kitame universitete Lietuvoje ir uţsienyje:
3. Nenaudojau šaltinių, kurie nėra nurodyti darbe, ir pateikiu visą panaudotos literatūros sąrašą.
Edvinas Drungilas
(data) (autoriuas vardas, pavardė) (parašas)
PATVIRTINIMAS APIE ATSAKOMYBĘ UŢ
LIETUVIŲ KALBOS TAISYKLINGUMĄ ATLIKTAME DARBE Patvirtinu lietuvių kalbos taisyklingumą atliktame darbe.
Edvinas Drungilas
(data) (autoriaus vardas, pavardė) (parašas)
MAGISTRO BAIGIAMOJO DARBO VADOVO IŠVADOS DĖL DARBO GYNIMO
... ... ...
Doc. dr. Elena Bartkienė
(data) (autoriaus vardas, pavardė) (parašas)
MAGISTRO BAIGIAMASIS DARBAS
APROBUOTAS MAISTO SAUGOS IR KOKYBĖS KATEDROJE
(aprobacijos data) (katedros vedėjo vardas, pavardė) (parašas)
Magistro darbas yra įdėtas į ETD IS
(gynimo komisijos sekretorės parašas) Magistro baigiamojo darbo recenzentas
(vardas, pavardė) (parašas)
Magistro baigiamųjų darbų gynimo komisijos įvertinimas:
TURINYS
SANTRAUKA...5
SUMMARY...6
ĮVADAS...7
1.LITERATŪROS APŢVALGA...9
1.1 Helianthus tuberosus L. cheminė sudėtis, maistinė vertė, panaudojimas pramonėje...9
1.2 Etanolio cheminė sandara, savybės ir pagrindiniai gavimo būdai...10
1.3. Aukštesnieji alkoholiai ir kiti fuzelio junginiai...11
1.3.1. Aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio junginių įtaka sveikatai...12
1.4.Bioetanolis ir jo gamybos technologija...14
2. DARBO METODIKA...16
2.1. Pagrindinės tyrimų kryptys ir jų pagrindimas...16
2.2. Tyrimų objektai ir metodai...17
2.2.1. Eksperimentui naudotos ţaliavos... 17
2.2.2 Etanolio gamyba šaltuoju būdu laboratorinėmis sąlygomis iš mikronizuotų rugių...19
2.2.3. Etanolio gamyba šaltuoju būdu laboratorinėmis sąlygomis aerobiniu būdu iš topinambų...19
2.2.4. Raugalo pH ir sausųjų medţiagų tyrimo metodika ir etanolio koncentracijos...20
2.2.5.. Aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio junginių tyrimo metodika...20
3.3. Matematinė statistinė duomenų analizė...21
3. REZULTATAI...22
3.1. Aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio junginių etanolyje, pagamintame iš mikronizuotų, rugių rezultatai...22
3.1.1. Raugalo fizikiniai cheminiai rodikliai...22
3.1.2. Acetaldehido, etilacetato ir metilacetato kiekis etanolyje, pagamintame iš mikronizuotų rugių...23
3.1.3. Metanolio ir aukštesniųjų alkoholių: propanolio, izobutanolio ir izoamilo alkoholio, kiekis etanolyje pagamintame iš mikronizuotų rugių...25
3.1.4. Suminis aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio junginių kiekis etanolyje pagamintame iš mikronizuotų rugių...26
3.2. Aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio junginių formavimosi etanolyje, pagamintame iš topinambų aerobiniu būdu, rezultatai...27
3.2.1 Raugalo parametrai...27
3.2.2. Acetaldehido, etilacetato ir metilacetato kiekis etanolyje, pagamintame iš topinambų aerobiniu būdu...28
3.2.3. Metanolio ir aukštesniųjų alkoholių: propanolio, izobutanolio ir izoamilo alkoholio,
kiekis etanolyje pagamintame iš topinambų aerobiniu būdu...30
3.2.4. Suminis aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio junginių kiekis etanolyje pagamintame iš topinambų aerobiniu būdu...32
3.2.5. Fermentų įtaka raugalo, fermentuoto K. arosophlazum mielėmis, fizikiniams cheminiams rodikliams...32
3.2.6. Acetaldehido, metilacetato ir etilacetato kiekis etanolyje, pagamintame iš topinambų fermentuojant K. arosophlazum mielėmis ţaliavos sucukrinimui naudojant įvairius biokatalizatorius...33
3.2.7. Metanolio ir aukštesniųjų alkoholių: propanolio, izobutanolio ir izoamilo alkoholio kiekis etanolyje, pagamintame iš topinambų fermentuojant K. arosophlazum mielėmis ţaliavos sucukrinimui naudojant įvairius biokatalizatorius...35
3.2.8. Suminis aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio junginių kiekis etanolyje, pagamintame iš topinambų fermentuojant K. arosophlazum mielėmis ir ţaliavos sucukrinimui naudojant įvairius biokatalizatorius...36
3.2.9. Fermentų įtaka raugalo, fermentuoto K. marxianus mielėmis fizikiniai cheminiai rodikliai...37
3.2.10. Acetaldehido, metilacetato ir etilacetato kiekis etanolyje, pagamintame iš topinambų fermentuojant K. marxianus mielėmis ir ţaliavos sucukrinimui naudojant įvairius biokatalizatorius...38
3.2.11. Metanolio ir aukštesniųjų alkoholių: propanolio, izobutanolio ir izoamilo alkoholio kiekis etanolyje, pagamintame iš topinambų fermentuojant K. marxianus mielėmis ir ţaliavos sucukrinimui naudojant įvairius biokatalizatorius...40
3.2.12. Suminis aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio junginių kiekis etanolyje, pagamintame iš topinambų fermentuojant K. marxianus mielėmis ir ţaliavos sucukrinimui naudojant įvairius biokatalizatorius...41
4. REZULTATŲ APTARIMAS...43
IŠVADOS...45
NAUDOTOS LITERATŪROS SĄRAŠAS...48
SANTRAUKA
Autorius: Edvinas Drungilas
Tema: Aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio junginių formavimasis etanolyje, gautame mikronizuotus rugius fermentuojant Saccharomyces cerevisiae anaerobiniu būdu ir Helianthus
tuberosus L. aerobiniu būdu
Darbo vadovė: doc. dr. Elena Bartkienė.
Atlikimo vieta: Darbas 2011–2012 metais atliktas Lietuvos Sveikatos mokslų universitete, Veterinarijos akademijoje, Maisto saugos ir kokybės katedroje
Darbo dydis: 53 puslapiai, 14 lentelės, 12 paveikslai.
Šio darbo tikslas buvo įvertinti aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio junginių formavimasi etanolyje, gautame mikronizuotus rugius fermentuojant Saccharomyces cerevisiae anaerobiniu būdu ir Helianthus tuberosus L. Kluyveromyces var. mielių skirtingais porūšiais aerobiniu būdu. Rezultati parodė, kad gaminant etanolį iš mikronizuotų rugių ţaliavos, fermentuojant pastarąją
Saccharomyces cerevisiae mielėmis, o ţaliavos sucukrinimui naudojant skirtingus fermentinius
preparatus, gaunami skirtingi raugalo parametrai, o skirtingi fermentai, naudoti ţaliavos sucukrinimui, turėjo skirtingos įtakos aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio junginių kiekiui etanolyje, pagamintame iš mikronizuotų rugių ţaliavos.
Vykdant etanolio gamybą iš Helianthus tuberosus L. ţaliavos, fermentuojant pastarąją
Kluyveromyces marxianus skirtingų porūšių mielėmis, gaunama vienoda etanolio išeiga (6 tūrio %),
tačiau skirtingas mėginių pH: didţiausia pH vertė - K. marxianus fermentuotuose mėginiuose
(4,87), maţiausia - K. arosophlazum fermentuotuose (4,09), todėl etanolio saugai uţtikrinti, reikėtų
rinktis didesnio pH mėginius. Tačiau skirtingi Kluyveromyces var. porūšiai turi skirtingą įtaką aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio junginių kiekiui etanolyje, pagamintame iš Helianthus
tuberosus L. ţaliavos, fermentuojant pastarąją aerobiniu būdu.
Efektyviausia etanolio gamybos technologija ir gaunamos didţiausios išeigos, vykdant pastarąją aerobiniu būdu, fermentuojant Helianthus tuberosus L. K. marxianus mielėmis (8 tūrio %), taip pat, ši gamyba pakankamai saugi, nes gaunamas maţesnis aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio junginių kiekis, nei fermentuojant ruginę ţaliavą.
SUMMARY
Author: Edvinas Drungilas
Subject: Higher alcohols and other fusel compounds formation in ethanol made from micronized rye fermented in anaerobic condition with Saccharomyces cerevisiae and made from
Helianthus tuberosus L. in aerobic condition
Job Manager: assoc. prof. dr. Elena Bartkiene
Executed location: Master work was done 20112013 in Lithuanian University of Health Sciences Veterinary Academy Department of Food Safety and Quality
Work size: 53 pages, 14 tables, 12 pictures.
The aim of the study was to evaluate formation of the higher alcohols and other fusel oil compounds in ethanol made from micronized rye fermented in anaerobic condition with
Saccharomyces cerevisiae and made from Helianthus tuberosus L. in aerobic condition.
We found different higher alcohols and other fusel oil compounds concentration in ethanol made from micronized rye fermented in anaerobic condition with Saccharomyces cerevisiae depending on the enzymes used for the raw material sugaring process preparation.
Therefore, we found the same yield of the ethanol, made from Helianthus tuberosus L. raw materials fermented with different varieties of Kluyveromyces var. yeast (6 vol %), but it was established different fermented samples pH: the highest pH value was found in with K. marxianus fermented samples (4.87), the lowest – with K. arosophlazum fermented samples (4.09), and we conclude that to ensure ethanol safety, for ethanol production should be choose with a higher value pH samples.
Also, we found that different varieties of Kluyveromyces var. have a different influence on the higher alcohols and other fusel oil compounds formation in ethanol made from Helianthus
tuberosus L. raw materials in aerobic condition.
The most efficient ethanol production technology and the highest yield of ethanol it is possible to get when Helianthus tuberosus L. are fermented with K. marxianus yeast (8 vol %), and this technology, when is used Helianthus tuberosus L. raw material, is safer (less higher alcohol and other fusel compounds concentration) than ethanol production technology from rye raw material in anaerobic condition.
Keywords: ethanol, rye, topinambour, secondary product
ĮVADAS
Etanolis yra chemiškai aktyvi medţiaga, kitaip vadinamas etilo alkoholiu arba tiesiog alkoholiu. Etanolis yra bespalvis degus skystis, turintis būdingą alkoholio kvapą bei deginantį skonį. Pagrindinė etanolio panaudojimo stritis jau nuo senovės buvo alkoholinių gėrimų gamyba, tačiau didėjant degalų paklausai bei susirupinimui aplinkosauga, vis daţniau etanolis naudojamas biokuro gamyboje. Pirmąjį kartą bioetanolis buvo panaudotas JAV 1860 metais. Šiuo metu pasaulyje kiekvienais metais yra pagaminama apie 300 mln. m³ bioetanolio. Didţiają dalį šio kiekio pagamina Šiaurės ir Pietų Amerikos valstybės. Labiausiai paplites etanolio gamybos būdas iš didelį kiekį cukraus ar krakmolo turinčios ţaliavos, ją fermentuojant, priklausomai nuo mikroorganizmų, aerobiniu ar anaerobiniu būdu. Populiariausios ţaliavos etanolio gamyboje: grūdai, cukriniai runkeliai bei cukraus gamybos metu gaunama cukringa ţaliava - melasa. Paprasčiausia alkoholį gauti iš cukrinių runkelių ar cukranendrių bei melasos, nes cukrus juo paverčiamas be tarpinių produktų. Iš krakmolo (pavyzdţiui, grūdų) iš pradţių reikia gauti cukrų, iš kurio vėliau rauginant gaunamas etanolis.
Nors šiandien populiariausia etanolio ţaliava yra grūdinės kultūros, tačiau vis didesnis dėmesys skiriamas topinambams. Daugelyje mokslinių straipsnių yra rašoma apie topinambų tinkamumą etanolio gamybai, nes augalas nėra labai reiklus auginimo sąlygoms ir jo gumbuose yra didelis kiekis inulino. Dėl šios prieţasties, augalo šaknys pramonėje naudojamos kaip ţaliava fruktozei gauti, o tai labai gera ţaliava etanolio gamyboje. Taikant specialias mielių rūšis, kurios fermentuoja inuliną, galima gauti du kartus didesnį etanolio kiekį nei gaminant iš grūdų, o alkoholis, gautas fermentuojant gumbus, yra ţymiai geresnės kokybės negu iš cukrinių runkelių. Tačiau, maţai atlikta tyrimų apie šalutinius produktus, susidarančius etanolyje.
Etanolio gamybos metu susidarantys nepageidautini junginiai (esteriai, aldehidai, aukštesnieji alkoholiai ir kt.) yra labai toksiški. Dėl šios prieţasties, gaminant etanolį alkoholinių gėrimų gamybai arba maisto produktų konservavimui būtina uţtikrinti jo saugą šių junginių aspektu. Deja, nėra vienareikšmės koreliacijos tarp šių junginių kiekio etanolyje ir kaţkurio vieno faktoriaus (ţaliavos rūšies, ţaliavos taršos mikotoksinais ar vandens, naudojamo gamyboje kokybės rodiklių ir kt.) turinčio įtakos šių junginių formavimuisi. Dėl šios prieţasties labai svarbu įvertinti kuo daugiau faktorių, galinčių turėti įtakos šių junginių formavimuisi.
Siekiant gamybos efektyvumo, kuriamos naujos etanolio gamybos technologijos, kurių pagrindas yra biotechnologiniais sprendimais paremtas gamybos efektyvumo didinimas. Vienas iš būdų uţtikrinti etanolio gamybos efektyvumą yra fermentų ir jų kompozicijų panaudojimas sucukrinant ţaliavas. Tačiau, taikant naujas technologijas, ar tobulinant ju esamas, labai svarbu, kad galutinis produktas būtų saugus ir nepakenktų vartotojams.
Todėl, mūsų darbo tikslas buvo – įvertinti aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio junginių formavimasi etanolyje, gautame mikronizuotus rugius fermentuojant Saccharomyces cerevisiae anaerobiniu būdu ir Helianthus tuberosus L. Kluyveromyces var. mielių skirtingais porūšiais aerobiniu būdu.
Darbo uţdaviniai:
1. Atlikti etanolio gamybą iš mikronizuotų rugių ţaliavos, fermentuojant pastarąją
Saccharomyces cerevisiae mielėmis, o ţaliavos sucukrinimui naudojant skirtingus
fermentinius preparatus ir įvertinti jų įtaką gauto raugalo rodikliams;
2. Nustatyti aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio junginių kiekį etanolyje, pagamintame iš mikronizuotų rugių ţaliavos anaerobiniu būdu, fermentuojant pastarąją Saccharomyces
cerevisiae mielėmis, o ţaliavos sucukrinimui naudojant skirtingus fermentinius preparatus ir
įvertinti, kuris fermentinis preparatas yra saugiausias šių junginių formavimosi aspektu; 3. Atlikti etanolio gamybą iš Helianthus tuberosus L. ţaliavos, fermentuojant pastarąją
Kluyveromyces marxianus skirtingų porūšių mielėmis, ir nustatyti, kurio porūšio
fermentacija yra efektyviausia etanolio gavybai;
4. Nustatyti etanolio, pagaminto iš Helianthus tuberosus L. ţaliavos, fermentuojant pastarąją
Kluyveromyces var. efektyviausių porūšių mielėmis, aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio
junginių kiekį;
5. Nustatyti, kurie Kluyveromyces var. mielių porūšiai yra efektyviausi etanolio gamybai ir atlikti etanolio gamybą su šiais porūšiai, efektyvumą padidinant fermentiniais preparatais ir jų kompozicijomis;
6. Įvertinti gautų raugalo mėginių fizikinius cheminius rodiklius ir etanolio saugą aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio junginių aspektu;
1. LITERATŪROS APŢVALGA
1.1. Helianthus tuberosus L. cheminė sudėtis, maistinė vertė, panaudojimas pramonėje
Topinambai (lot. Helianthus tuberosus L.) yra daugiametis ţolinis astrinių šeimos augalas, priklausantis, saulėgrąţų (Helianthus L.) genčiai. Topinambai turi panašių savybių į bulves, imbierą bei saulėgrąţas. Topinambo poţeminė dalis panaši į bulvių ar imbiero. Pagrindinė šaknis įsiskverbia nuo 1 iki 3 metrų gylį, tačiau pagrindinė šaknų masė išsidėsto puriajame sluoksnyje. Čia formuojasi gumbai, panašūs į bulves ar imbiero šaknis. Gumbų forma, spalva ir derlius priklauso nuo auginamos veislės. Antţeminė dalis panaši į saulėgrąţų, stiebas apaugęs plaukeliais, išauga iki 1,5– 3 m aukščio, stipriai lapuotas. Augalo lapai ir ţiedai smulkūs, ţiedynai geltoni (4-10) cm skersmens, turi pieniško šokolado kvapą. Mūsų klimato sąlygomis ţydi rugsėjo – spalio mėnesiais, tačiau yra veislių, kurios neţydi. Auga iki pat stiprių šalnų (Maročkienė, 2007). Šis augalas yra kilęs iš Šiaurės Amerikos. Į Europą pateko maţdaug XVII a. pirmoje pusėje, pirmiausia į Prancūziją, vėliau į Italiją bei kitas šalis. Tačiau XVIII a., paplito bulvės ir susidomėjimas topinambais pradėjo maţėti. Tačiau, pastaraisiais metais, dėl daugelio vertingų jų savybių, susidomėjimas pradėjo sparčiai augti. Iš topinambų gaunamas didelis biomasės derlius iš stiebagumbių ir stiebų, todėl jis yra universalus augalas (Slimestad et al., 2010).
Topinambai yra ypatingi augalai, jie nekaupia nitratų, sunkiųjų metalų ir radioaktyviųjų elementų, nekenksmingi aplinkai, o maisto produktai, į kurių sudėtį jie įeina, yra funkcionalesni ar net vartotini įvairių ligų profilaktikai. Topinambų gumbuose yra apie 72-80 % vandens, 2-4 % baltymų ir 14-16 % angliavandenių, iš kurių didţiausias kiekis D-fruktozės polimero inulino. Topinambų gumbai panašūs į bulves, išskyrus tai, kad stiebagumbiuose yra 72-80 % angliavandenių inulino formoje, o bulvėse pagrindinis angliavandenis – krakmolas. Taip pat, topinambuose yra didelis kiekis geleţies, makroelementų, tokių kaip, magnis, kalcis, kalis ir t.t. Topinambų baltymuose yra beveik visos nepakeičiamos aminorūgštys, tokios kaip treoninas ir triptofanas. Taip pat, juose yra įvairių vitaminų (B grupės ir C), pektininių medţiagų. Taigi, topinambai priskiriami aukštos kokybės maistinės vertės produktams (Ma et al., 2011).
Topinambai skiriasi nuo kitų šakniavaisių savo chemine sudėtimi, nes juose yra didelis kiekis inulino. Dėl šios prieţasties, augalo šaknys pramonėje naudojamos kaip ţaliava fruktozei gauti. Dėl tos pačios prieţasties, topinambai yra labai gera pramonės ţaliava bioetanolio (biokuro) gamyboje. Taikant specialias mielių rūšis, kurios fermentuoja inuliną, galima gauti du kartus didesnį etanolio kiekį nei gaminant iš grūdų (Razmovski et al., 2011). Topinambais pradėta domėtis dėl jų galimo panaudojimo etanolio gamyboje, nes augalas nėra labai reiklus auginimo sąlygoms ir jų gumbų derlius paprastai buna labai didelis (Thuesombat et al., 2007; Pan et al., 2009). Etanolis, pagamintas
iš topinambų gumbų, ir sumaišytas su benzinu gali būti naudojamas, kaip transporto priemonių kuras, o alkoholis, gautas fermentuojant gumbus, yra daug geresnės kokybės negu iš cukrinių runkelių.
Topinambai turi profilaktinių ir gydomųjų savybių. Jie rekomenduojami vartoti ţmonėms, kurie rūpinasi savo sveikata, nėščioms ir maitinančioms motinoms sportininkams, taip pat, ir ţmonėms, kenčiantiems nuo diabeto, aukšto kraujospūdţio, širdies kraujagyslių ligų, aterosklerozės, disbakteriozės bei virusinio hepatito. Sergantiems cukriniu diabetu veikia kaip biogenetinis faktorius atstatantis natūralią ţarnyno mikroflorą (Rakhimov et al., 2003; Terzić, Atlagić, 2009). Inulinas, tai puikiai ţinomas prebiotikas, jis skatina bifidobakterijų augimą ţarnyne bei turi teigiamos įtakos lipidų metabolizmui. Inulino ţmogaus fermentinės sistemos negali suvirškinti, todėl jis yra naudojamas diabetikams norint pakeisti cukrų arba ţmonėms kuriems reikalinga speciali dieta (Cheng et al., 2009; Bekers et al., 2008; Roberfroid, 2005; Ma et al., 2011).
Topinambų privalumai: gali augti nederlingoje ir uţterštoje dirvoje, auginant minimalus trąšų poreikis, labai atsparūs šalčiui, ligoms ir kenkėjams, didelė angliavandenių išeiga, potencialiai sumaţina tam tikrų piktţolių kiekį pasėliuose, sudarydami sąlygas mechaninių ar cheminių sąnaudų sumaţinimui (Thanonkeo et al., 2011).
1.2 Etanolis, jo savybės ir pagrindiniai gavimo būdai
Etanolis gali būti vadinamas etilo alkoholiu arba tiesiog alkoholiu. Etanolis yra bespalvis degus skystis, turintis būdingą alkoholio kvapą bei deginantį skonį. Gali maišytis su vandeniu įvairiais santykiais dėl vandenilinių jungčių, jo tankis maţesnis uţ vienetą. Etanolio virimo temperatūra 78,4 oC, lydimosi temperatūra -114,3 o
C, pH 7,0, molekulinė masė 49,069. Fizikinėmis savybėmis labai panašus į vandenį, todėl jį išgryninti labai sunku (Hamelinck C.N. et al., 2005). Cheminė etanolio formulė − C2H5OH. Etanolio molekulėje yra dviejų tipų cheminiai ryšiai. C-H kovalentinės nepolinės jungtys, bei C-O ir O-H − kovalentinės polinės jungtys, nes deguonies atomas turi didesnį elektroneigiamumą negu anglies bei vandenilio atomai. Etanolio molekulėje susidaro tiek dalinai teigiamas, tiek dalinai neigiamas krūvis, todėl tarp etanolio bei vandens molekulių susidaro tarpmolekulinis vandenilinis ryšys. Vandenilio atomas būna arčiau to atomo, su kuriuo sujungtas kovalentine jungtimi H-O. Naujos vandenilinės jungtys susidaro etanolį tirpinant vandenyje (Cheung S.W., Anderson B.C., 1997).
Etanolis yra chemiškai aktyvi medţiaga, cheminės etanolio savybės priklauso nuo alkoholių funkcinės grupės – hidroksilo. Ši funkcinė grupė yra linkusi dalyvauti heterolitinėse reakcijose, suyrant C-O arba O-H jungtims, nes deguonis turi dalinį neigiamą, o vandenilio atomai teigiamą
krūvį (Yuan W., 2012). Pagal cheminės savybės etanolis yra neutrali medţiaga, tačiau etanolis gali reaguoti kaip silpna bazė ir rūgštis, kitaip tariant, kaip amfoterinis junginys. Etanolio rūgštinės savybės yra truputi silpnesnės nei vandens. Etanolis gali reaguoti su organinėmis rūgštimis ir sudaryti esterius. Tam tikromis sąlygomis etanolis, kaip ir kiti alkoholiai, gali dehidratuotis bei reaguoti su aktyviais metalais. Etanolis gana lengvai oksiduojasi ir susidaro aldehidas.
Pramonėje etanolis gali būti susintetinamas arba gaunamas iš tam tikrų gamtinių angliavandenių, tokių kaip, krakmolas bei celiuliozė (Kadar Z. et al., 2007).
Svarbiausi etanolio sintezės būdai:
1. Etileno hidratacija H2O garais, CH2CH2+HOHCH3CH2OH. 2. Katalizinė acetaldehido redukcija.
Seniausias etanolio gamybos būdas tai cukrinių medţiagų alkoholinis rūgimas. Angliavandenius veikiant mielėms, jie ima skaidytis, tai yra rūgti. Rūgimo reakcijos procesas yra išreiškiamas lygtimi: C6H12O62CO2 + 2C2H5OH. Pramonėje etanolis gali būti gaminamas iš polisacharido, tai yra. celiuliozės. Pramonėje medienos atliekos hidrolizuojamos 5-6 sieros rūgštimi, taikant tam tikrą slėgį. Hidrolizės produktas neutralizuojamas, filtruojamas ir rauginamas. Gaunamas hidrolizinis alkoholis (Sun Y., Cheng J., 2002).
Ţaliavą turi sudaryti medţiagos, kuriose yra cukrinių medţiagų arba krakmolingų medţiagų. Krakmolas iš pradţių hidrolizuojamas iki gliukozės, vėliau rauginamas.
Absoliutus alkoholis gali maišytis su vandeniu ir benzinu įvairiais santykiais, todėl jį galima vartoti kaip kurą vidaus degimo varikliuose. Etanolis gerai tirpina daugelį organinių medţiagų bei pasiţymi antiseptinėmis savybėmis (Ezeji TC. et al., 2004).
1.3. Aukštesnieji alkoholiai ir kiti fuzelio junginiai
Aukštesniaisiais alkoholiais vadinami alkoholiai, turintys didesnę molekulinę masę ir virimo temperatūrą, lyginant su etanoliu, bei daugiau nei du anglies atomus. Taip pat, ţinomi kaip fuzeliai ar aromatinių junginių grupė daugelyje alkoholinių gėrimų. Aukštesniuosius alkoholius sudaro alifatiniai bei aromatiniai alkoholiai. Didelė dalis auštesniųjų alkoholių kaupiasi pirmojoje distiliacijos frakcijoje. Tam tikra, nedidele fuzelių junginų bei jų esterių koncentracija naudojama formuojant juslines savybes fermentuotiems maisto produktams ir gėrimams. Didelė fuzelių koncentracija maisto produktams gali suteikti nepageidaujamą skonį (Lilly et al., 2006; Hazelwood et al., 2008; Anli, Bayram, 2010).
Aukštesnieji alkoholiai susidaro vykstant mielių metabolizmui iš aminorūgščių ir todėl yra visų alkoholinių gėrimų natūrali sudedamoji dalis. Tačiau, metanolis nėra mielių metabolizmo produktas, nes jis gaunamas iš didelį kiekį pektinų turinčios ţaliavos.
Pagrindiniai aukštesnieji alkoholiai alkoholiniuose gėrimuose yra 1-butanolis, 1-propanolis, 2-butanolis, izobutanolis bei izoamilo alkoholis.
Europos Sąjunga yra nustačiusi minimalius nepastovių medţiagų kiekius tam tikruose alkoholiniuose gėrimuose. Pasaulinė sveikatos organizacija (PSO), bei Maisto ir ţemės ūkio organizacijos (MŢŪO) komitetas aukštesniuosius alkoholius yra įtraukęs į funkcinę klasę „skonį pagerinantys priedai“. Iš aukštesniųjų alkoholių yra įtraukti: 1-propanolis, 1-butanolis, izobutanolis. Aukštesniųjų alkoholių kiekis alkoholiniuose gėrimuose maisto įstatyme nėra traktuojamas kaip svarbus toksikologiniu aspektu, tačiau, jie yra svarbūs, juslines savybes suteikiantys, junginiai.
Surogatinių alkoholių tyrimų metu buvo nustatyta, kad namų sąlygomis pagaminti alkoholiniai gėrimai yra ţymiai toksiškesni, lyginant su teisėtai pagamintu alkoholiu. Taip pat, nustatyta, kad alkoholiniuose gėrimuose, pagamintuose namų sąlygomis yra toksiškų ilgos grandinės alkoholių. Nustatyta, kad vartotojai daţniau serga alkoholio sukelta kepenų liga, nei vartotojai, kurie daţniau vartoja teisėtą alkoholį (Lang et al., 2006; McKee et al., 2005).
1 lentelė. Pagrindiniai alkoholinių gėrimų fermentacijos šalutiniai produktai (Anli, Bayram, 2010)
Fermentacijos šalutiniai
produktai Molekulinė formulė
Molinė masė
(g/mol) Aromatas
Metanolis CH3OH 32,04 -
Fuzeliai
Izobutanolis C4H9OH 74,12 Aštrus ir aitrus
n-propanolis C3H7OH 60,1 Vaisinis
Amilo alkoholis C5H11OH 88,15 Sausas ir aitrus
n-butanolis C4H9OH 74,12 Etanolio
izoamilo alkoholis C5H11OH 88,15 Aštrus deginantis
2-butanolis C5H11OH 74,12 Vaisinio alkoholio
Esteriai
Etilacetatas C4H8O2 88,11 Vaisinis (ananasų)
Metilacetatas C3H6O2 74,08 Vaisinis
Aldehidai
Acetaldehidas C2H4O 44,05
1.3.1. Aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio junginių įtaka sveikatai
koncentracija gali sukelti tam tikras sveikatos problemas. Viena iš problemų tai „pagirių“ sindromas, kurį sukelia didelis acetaldehido kiekis (Batista, Meirelles, 2011). Pasak (TVTA) yra daug atlikų eksperimentų, įrodančių acetaldehido kancerogeniškumą ţmonėms. Tarptautinės vėţio tyrimų agentūros (TVTA) susirinkime, buvo diskutuojama apie acetaldehido ţalą. Diskusija buvo apie acetaldehido kancerogeniškumą alkoholinuose gėrimuose. Acetaldehidas gali sukelti taškines mutacijas arba yra galimybė susidaryti kancerogenezei. Daţniausiai mutageniniai bei kancerogeniniai pokyčiai atsiranda dėl aukštos acetaldehido koncentracijos. Koncentracija, sukelianti organizme pokyčius, yra nuo 40 iki 200 μmol/l (Lachenmeier, Sohnius, 2008).
Metanolis yra grieţtai kontroliuojamas alkoholis, kadangi didelis šio junginio kiekis gali sukelti sunkų apsinuodijimą (Batista, Meirelles, 2011). Daugelyje alkoholinių gėrimų susidaro maţas metanolio kiekis ir jis nesukelia ţalos, tačiau namų salygom pagaminti alkoholiniai gėrimai gali sukelti sunkius apsinuodijimus arba net mirtį, nes jų sudėtyje daţniausiai būna apie 5 % metanolio. Europos Sąjunga yra apribojojusi metanolio kiekį alkoholiniuose gėrimuose, kuriuose yra nuo 1000 g/hl gryno etanolio ir sudaro apie 0,4 % tūrio metanolio.
Antrojo pasaulinio karo metu vokiečių kariuomenėje buvo uţfiksuotas metanolio apsinuodijimo protrūkis. Tai buvo pirmasis toks protrūkis dėl metanolio koncentracijos alkoholiniuose gėrimuose, kurio metu ţuvo apie 100 asmenų (Lachenmeier et al., 2007). Metanolis yra toksiškas, todėl didelis jo kiekis gali būti mirtinas. Alkoholio dehidrogenazės metu kepenyse susidaro skruzdţių rūgštis bei formaldehidas, tai gali sukelti galvos skausmą, svaigimą, vėmimą, aklumą ar net mirtį (Lin, Shaw, 2009).
Dar nėra tikslių tyrimo rezultatų, ar maţi aukštesniųjų alkoholių kiekiai kartu su didelėm etanolio koncentracijom turi reikšmės kepenų ligų etiologijai. Yra mokslininkų, kurie teigia apie atvejį, kai ţiurkėse aptiko sunkų kepenų paţeidimą, ir įtaria, kad tai yra susiję su didelėm alkoholio, pagaminto iš kukurūzų, fuzelių koncentracijom, kuriuose galėjo buti aldehidų, esterių ir didelis kiekis kitų aukštesniųjų alkoholių. Yra mokslinkų, kurie pritaria šiems tyrimų rezultatams, tačiau buvo apibendrinta, kad etanolio toksinis poveikis gali būti susijęs su acetaldehido ir giminingų junginių tarpusavio sąveika, todėl alkoholiniai gėrimai pagal toksiškuma yra skirtingi, jie turi skirtingą galimybę sukelti kepenų paţeidimus. Tačiau, yra mokslinkų, kurie atliko tyrimą su jūrų kiaulytėmis. Bandymo metu joms buvo sušerta keturi alkoholiui giminingi junginiai apie 100 kartų didesnėmis koncentracijomis nei galima būtu suvartoti ţmogui, vartojant alkoholinius gėrimus. Konstatuota, kad nenustatytas toksinis poveikis kepenims (Salaspuro M., 2009).
Etanolio toksiškumas daţnai pasireiškia paţinimo funkcijų sutrikimu. Apie aukštesniųjų alkoholių neurotoksinį poveikį informacijos nėra pakankamai. Yra pateikiami duomenys apie visų alkoholių bendras savybes. Jie visi turi vienodą neurotoksinį poveikio mechanizmą. Taip pat, nustatyta aukštesniųjų alkoholių ir pagirių simptomo koreliacija, dėl netinkamo alkoholio
vartojimo, maišant skirtingus gėrimus (viskį ir degtinę). Taip pat, alkoholnių gėrimų poveikio skirtumus galima priskirti ir kitiems junginiams, pavyzdţiui, acetaldehidui arba junginiams, susidarantiems viskio brendimo metu (Lachenmeier et al., 2008; Clive, 2007).
1.4.Bioetanolis ir jo gamybos technologija
Neišvengiamai didėjantis naftos poreikis ir jo išteklių maţėjimas visame pasaulyje skatina susidomėjima atsinaujinančiais angliavandenių ištekliais, iš kurių gaminamas etanolis, kaip alternatyva kurui. Biokuras – tai degūs dujiniai, skystieji bei kietieji produktai, gaminami iš biomasės ir naudojami energijai išgauti (John, Michael, 1999; Robert W. et al., 1999). Praktinėje veikloje skystojo biokuro produktai vadinami tiesiog biodegalais. Biodegalai, tai kuras, naudojamas vidaus degimo varikliuose, kitaip dar vadinamas biokuru (Dien, B.S. et al., 2000). Biodegalais gali būti vadinami: biodimetileteris, biodyzelinas, bioetanolis, biodujos, biometanolis, biometiltretbutileteris, bioetiltretbutileteris, biovandenilis, grynas augalinės kilmės aliejus, sintetiniai biodegalai (Michael E. et al., 2007; Mustafa Balat, 2011; De-gang L., 2005).
Bioetanoliui išgauti reikalingos tokios ţaliavos, kurios turėtų cukraus, krakmolo ar lignoceliuliozės (M. Forde, 2010). Daţniausiai bioetanolio gamybai naudojama ţaliava: javai, kukurūzų grūdai, cukriniai runkeliai, cukranendrės, bulvės. Svarbiausias bioetanolio gamybai yra cukraus ir krakmolo kiekis biomasėje, tačiau, vis daugiau dėmesio skiriama bioetanolio gamybai iš augalinės ţaliavos, kuri susideda iš celiuliozės bei hemiceliuliozių (Charis, Alessandra, 2011; Bonciu C. et al., 2010; Rojan P. et al., 2011).
Bioetanolio gamybos procesą sudaro kelios pakopos: 1. Ţaliavos paruošimas, apdorojimas;
2. Fermentacija;
3. Valymas bei koncentravimas; 4. Nuvandeninimas.
Iš kiekvienos ţaliavos etanolio gamybos technologija skiriasi ir ji priklauso tiek nuo biomasės rūšies, tiek nuo savybių (1 pav.). Pradţioje ţaliava turi buti nuvalyta ir susmulkinta. Vėliau, biomasė hidrolizuojama bei fermentuojama. Proceso metu iš ţaliavų, turičių didelį kiekį cukrų, išskiriamas cukrus, o iš krakmolo arba celiuliozės gaunami monosacharidai, bakterijos ar fermentai iš jų metabolizuoja etanolį bei anglies dvideginį. Etanolį atskyriant distiliavimo būdu susidaro šalutinis produktas – ţlaugtai. Ţlaugtai naudojami biodujų arba pašarų gamybai (Gustavo, 2009; Saddler, Mabee, 2010; Mariam , 2008).
1 pav. Bioetanolio gamybos schema
Po distiliacijos gaunamas apie 96 % koncentracijos etanolis, tačiau, dėl didelės vandens koncentracijos toks etanolis negali būti naudojamas degalams. Reikalinga dehidratacija (nuvandeninimas), kurios dėka vandens koncentracija sumaţinama iki 0,2 %. Nuvandeninimui naudojamos dvi technologijos, tai membraninis arba azeotropinis atskyrimas. Daţniau naudojamos membraninės atkyrimo technologijos, nes azeotropiniam etanolio atskyrimui sunaudojamas didelis energijos kiekis (Mariam B., 2008; Gregg D., Saddler J. N., 1996).
2. DARBO METODIKA
2.1. Pagrindinės tyrimų kryptys ir jų pagrindimas
Eksperimentas buvo vykdytas dviem etapais, t.y., įvertintas aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio junginių formavimasis etanolyje, gautame mikronizuotus rugius fermentuojant
Saccharomyces cerevisiae anaerobiniu būdu, o antrame etape Helianthus tuberosus L.
fermentuojant aerobiniu būdu Kluyveromyces skirtingų porūšių mielėmis. Pagrindiniai tyrimo etapai pateikti 2 a ir b paveiksluose.
Mikronizuotų rugių malimas fermentacija Saccharomyces cerevisiae Raugalo rūgštingumo bei sausųjų medţiagų kiekio tyrimas
Etanolio gamyba laboratorinėmis sąlygomis šaltuoju būdu Mėginių paruošimas chromatografinei analizei
Etanolio koncentracijos nustatymas mėginiuose (tūrio %)
Aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio junginių kiekio įvertinimas dujų chromatografijos metodu
a)
Topinambų fermentacija Kluyveromyces mielėmis Raugalo rūgštingumo bei sausųjų medţiagų kiekio tyrimas Etanolio gamyba iš topinambų,
naudojant biokatalizatorius ir K.
arosophlazum mieles
Etanolio gamyba iš topinambų nenaudojant biokatalizatorius ir
K.marxianus mieles
Mėginių paruošimas chromatografinei analizei
Etanolio koncentracijos nustatymas mėginiuose (tūrio %) Aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio junginių kiekio įvertinimas dujų
chromatografijos metodu b)
2 pav. Eksperimento schema (a – mikronizuotų rugių fermentacija Saccharomyces cerevisiae ir gauto etanolio tyrimas; b – topinambų fermentacija Kluyveromyces mielėmis ir gauto etanolio tyrimas)
2.2. Tyrimų objektai ir metodai
2.2.1. Eksperimentui naudotos ţaliavos
Etanolio gamybai naudoti mikronizuoti rugiai buvo gauti iš UAB „Ustukių malūnas“ (Pasvalys, Lietuva, 2011 metų derliaus), o topinambų droţlės buvo gautos iš Sodininkystės darţininkystės instituto bandomojo ūkio (Babtai, Lietuva, 211 metų derliaus). Topinambų droţlės buvo dţiovintos +45 °C temperatūroje vakuume.
Eksperimente naudotos Saccharomyces cerevisiae ir Kluyvermyces skirtingų padermių mielės. Jų aprašymas pateiktas 2 lentelėje.
Naudotos švieţios presuotos Saccharomyces cerevisiae mielės buvo įsigytos vietiniuose prekybos tinkluose. Kluyvermyces skirtingų padermių mielės buvo gautos iš Vilniaus universiteto Biologijos katedros kolekcijos.
2 lentelė. Eksperimente naudotos mielės ir jų aprašymas
Pavadinimas Aprašymas
Mielės
S. cerevisiae Raugina sacharidus: gliukozę, fruktozę, galaktozę, sacharozę, maltozę, manozę ir
1/3 rafinozės kiekio. Neraugina laktozės.
K. dobzhenski Kluyveromyces mielės yra atsparios temperatūros veiksniams. Ši padermė pasiţymi
šilumos tolerancija ir greitu augimo tempu.
Padermė gali sintetinti bioetanolį, tuo pat metu vykstant sucukrinimo ir fermentacijos procesams. K. arosophlazum K. lactis K. bulgaricus K.marxianus
Eksperimente naudoti „Novozyme“ gamintojo (Danija) biokatalizatoriai. Optimalus jų veikimo pH, rekomenduojama norma 100 g ţaliavos sucukrinimui ir aktyvumo vientai (AV) pateikti 3 lentelėje.
3 lentelė. Eksperimente naudoti biokatalizatoriai bei jų aprašymas Biokatalizatoriai Optimalus veikimo pH Rekomenduojama norma 100 g ţaliavos
Aktyvumo vienetai (AV)
Depol TM 680P 4,5-5,5 0,4-0,5 g/100 g Ksilanolitinis 750; α-amilolitinis 115; amilogliukozidazinis 225 AV/ml ar g Depol TM 692L 4,0-6,0 0,5 ml/100 g Celiulazinis 800; pektinazinis 535 V/ml ar g
3 lentelės tęsinys. Eksperimente naudoti biokatalizatoriai bei jų aprašymas Biokatalizatoriai Optimalus veikimo pH Rekomenduojama norma 100 g ţaliavos
Aktyvumo vienetai (AV)
Ceremix® 5,0-7,0 25-100mg β-gliukazinas 380; ksilazinis 130; α-amilazinis 115 proteazinis 0.3 Av/ml ar g Ecopulp ®
TX-200-A 4,5-8,5 0,4-0,1mg Ksilanolitinis 10700 Av/ml ar g Pentopan BG 4,0-6,0 2-4g Ksilanazinis 2500 Av/ml ar g
Etanolio gamybai laboratoriniu būdu iš topinambų naudotas mielių ir fermentų kiekis 100g produkto fermentuoti, pateikti 4 lentelėje
4 lentelė. Eksperimente naudoti mielių ir biokatalizatorių kiekiai Naudotas kiekis
Mielių kiekis/100g ţaliavos fermentacijai
Saccharomyces cerevisiae 5 g K. dobzhenski 20 ml (KVS/ml 108) K. arosophlazum K. lactis K. bulgaricus K.marxianus
Biokatalizatorių kiekis/100g ţaliavos sucukrinimui
Depol TM 680P 0,45g Depol TM 692L 0,5ml Stargen 0,25ml Ceremix® 70mg Ecopulp ® TX-200-A 0,25ml Pentopan BG 3g
Etonolio gamybai laboratoriniu būdu iš mikronizuotų rugių naudotas mielių ir fermentų kombinacijų kiekis 100g produkto fermentuoti, pateikti 5 lentelėje.
5 lentelė. Eksperimente naudotų biokatalizatorių kombinacijos / 100g ţaliavos fermentacijai
Fermentai Naudotas kiekis
Stargen 0,25 ml Ecopulp ® TX-200-A 0,25 ml Stargen 0,25 ml Ceremix® 70 mg Stargen 0,25 ml Pentopan BG 3 g Stargen 0,25 ml Depol TM 680P 0,45 g Stargen 0,25 ml Depol TM 692L 0,5 ml Stargen 0,25 ml
2.2.2. Etanolio gamyba šaltuoju būdu laboratorinėmis sąlygomis iš mikronizuotų rugių
Ţemos temperatūros technologinis procesas buvo naudotas etanolio gamybai laboratorinėmis sąlygomis. Susmulkinti grudai buvo sumaišyti su 90 ° temperatūros vandeniu santykiu 1:5. Ţaliavos hidrolizė ir sucukrinimas buvo atliktas naudojant biokatalizatorių kombinacijas Stargen, Ecopulp TX-200-A Ceremix, Pentopan mono BG, Depol 680P ir Depol 692L (5 lentelė.). S. cerevisiae mielės buvo naudojamos fermentacijai. Kiekybinė ir kokybinė aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio junginių analizė tirtuose mėginiuose atlikta dujų chromatografijos metodu.
2.2.3. Etanolio gamyba šaltuoju būdu laboratorinėmis sąlygomis aerobiniu būdu iš topinambų
Topinambų masės pH nustatytas 6,35, todėl papildomo jos apdorojimo prieš sucukrinant ţaliavą fermentais nereikėjo, nes pH atitiko fermentų veikimo optimalų pH.
20 g dţiovintų topinambų šaknų, uţpilta 200 ml distiliuoto vandens, ir įdėta atitinkamų
Kluyvermyces mielų bei palikta fermentuotis 48 val. 34 °C temperatūroje aerobinėmis sąlygomis.
Po 48 valandų, įvertinus etanolio koncentraciją mėginiuose, tolesniam aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio junginių tyrimui buvo pasirinkti maţiausio ir didţiausio pH mėginiai. Sekančiam darbo etape, fermentavimui imta 20 g dţiovintų topinambų šaknų, įpilta 200 ml distiliuoto vandens, pridėta atitinkamų fermentų, atitinkamas kiekis ir inkubuota 60 minučių 60 °C temperatūroje termostate, kad ţaliava susicukrintu.
Po to, ataušinta iki 30 °C temperatūros ir įdėta atitinkamų Kluyvermyces mielų bei palikta fermentuotis 48 val. 34 °C temperatūroje aerobinėmis sąlygomis.
Po 48 valandų fermentacijos masė buvo nukošta pro marlės filtrą ir distiliuojama. Distiliatui gauti buvo paimta 100 ml raugalo ir distiliuota iki 50 ml distiliato. Gautas distiliatas panaudotas tolimesniems tyrimams, t.y., nustatytas etanolio kiekis (tūrio %) ir atlikta aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio junginių analizė.
2.2.4. Raugalo pH ir sausųjų medţiagų tyrimo metodika ir etanolio koncentracijos nustatymo metodika
Raugalo pH išmatuotas pH-metru („Sartorius“, Vokietija).
Tirpių sausųjų medţiagų kiekis raugale buvo nustatytas standartiniu tarptautinėje praktikoje taikomu refraktometriniu metodu (AACC-68-62, 1999). Gautas tirpių sausųjų medţiagų kiekis buvo išreikštas gramais šimte gramų (g/100 g) tiriamojo raugalo. Matavimai atlikti 20 °C temperatūroje.
Etanolio koncentracija (tūrio %) mėginiuose buvo nustatyta naudojant areometrų rinkinį, kai mėginio temperatūra 20 °C. Etanolio koncentracija (tūrio %) mėginiuose įvertinta pagal ţinynuose pateiktas tankio ir koncentracijos priklausomybės lenteles.
2.2.5. Aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio junginių tyrimo metodika
Kiekybinė ir kokybinė aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio junginių analizė tirtuose mėginiuose buvo atlikta dujų chromatografijos metodu. Naudota kolonėlė Zebron ZB – WAX; 30m x 0,25 x 0,25 µm; 100 % polietilenglikolio; Phenomenex. Aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio junginių koncentracijos (mg/l) mėginiuose buvo apskaičiuotos pagal gautų pikų plotus, lyginant juos su standartiniu (3 pav.), ţinomos koncentracijos aukštesniųjų alkoholių tirpalu (6 lentelė).
Taikyta programa, pagal kurią nuo 60 °C kolonėlės temperatūra iki 120 °C pakelta per 10 minučių, keliant po 4 °C per minutę.
6 lentelė. Aukštesniųjų alkoholių koncentracijos standartiniame tirpale Standartas, mg/l Acetal-dehidas Metil-acetatas Etilace-tatas Meta-nolis Propa-nolis Izobuta- nolis Izoamilo-alkoholis 62,8 18,64 180,4 79,1 32,16 161,6 330
3 pav. Standartinio tirpalo chromatograma
Mėginio chromotogramos pavizdys pateiktas 1 priede.
3.3. Matematinė statistinė duomenų analizė
Mėginių paruošimas buvo kartotas 2 kartus, tiriant lygiagrečiai 3 mėginius. Matematinė statistinė tyrimo duomenų analizė atlikta, naudojant Prism 3.0 statistinę programą.
Gautoms rezultatų reikšmėms buvo įvertinta vidutinė vertė, standartinė paklaida, standartinis nuokrypis, skirtumo tarp rezultatų reikšmių patikimumas (P patikimas, kai P ≤ 0,05) ir variacijos koeficientas.
3. REZULTATAI
3.1. Aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio junginių etanolyje, pagamintame iš mikronizuotų, rugių rezultatai
3.1.1. Raugalo fizikiniai cheminiai rodikliai
Atlikus raugalo fizikinių cheminių rodiklių analizę, nustatytos skirtingos sausųjų medţiagų, rūgštingumo, etanolio bei pH kitimo tendencijos (7 lentelė). Maţiausias kiekis sausųjų medţiagų po fermentacijos nustatytas mėginyje, kurio sucukrinimui buvo naudotas preparatas „Stargen“ (2 %), bei mėginyje su Depol TM 680P ir Stargen biokatalizatoriais (2,4 %). Didţiausias kiekis sausųjų medţiagų po fermentacijos nustatytas raugale su Pentopan BG ir Stargen biokatalizatoriais (3,5 %), bei su Depol TM 692L ir Stargen biokatalizatoriais (3,2%).
7 lentelė. Fermentų įtaka raugalo parametrams Megio Nr. Sausųjų medţiagų kiekis, % NaOH, ml Bendrasis rūgštingumas, °N Etanolio kiekis, tūrio % pH Stargen 2 +/- 0,02 9,20 +/- 0,092 0,96 +/- 0,0096 2 +/- 0,02 3,92 +/- 0,0392 Ecopulp ® TX-200-A Stargen 2,5 +/- 0,025 12,20 +/- 0,122 1,27 +/- 0,0127 4 +/- 0,04 3,78 +/- 0,0378 Ceremix® Stargen 3 +/- 0,03 11,80 +/- 0,118 1,23 +/- 0,0123 5 +/- 0,05 3,88 +/- 0,0388 Pentopan BG Stargen 3,5 +/- 0,035 16,60 +/- 0,166 1,73 +/- 0,0173 4 +/- 0,04 3,74 +/- 0,0374 Depol TM 680P Stargen 2,4 +/- 0,024 11,20 +/-0,112 1,17 +/- 0,0117 3 +/- 0,03 3,91 +/- 0,0391 Depol TM 692LStargen 3,2 +/- 0,032 14,00 +/- 0,14 1,46 +/- 0,0146 4 +/- 0,04 4,02 +/- 0,0402 Statistinė analizė Vidutinė vertė 2,767 12,50 2,063 1,303 3,875 Standartinis nuokrypis 0,5610 2,539 0,1715 0,2641 0,1015 Standartinė paklaida 0,2290 1,036 0,06483 0,1078 0,04145 P <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 Variacijos koeficientas, % 20,26% 20,31% 8,32% 20,26% 2,62%
Pastaba: P – skirtumo tarp rezultatų reikšmių patikimumas, P patikimas, kai P ≤ 0,05
Atlikus raugalo rūgštingumo analizę, didţiausias rūgščių kiekis nustatytas mėginiuose, fermentuotuose naudojant Pentopan BG ir Stargen fermentinius preparatus (1,73°N), o maţiausias - mėginyje su Stargen biokatalizatoriumi (0,96°N).
Nustačius etanolio koncentraciją tūrio procentais, didţiausia ji buvo mėginiuose, kurių fermentacijai naudoti biokatalizatoriai Ceremix® ir Stargen (5 tūrio %). Maţiausia etanolio koncentracija nustatyta mėginyje su Stargen (2 tūrio %). Likusiuose mėginiuose etanolio koncentracija nustatyta 4 tūrio %.
Nustačius pH, didţiausia jo vertė buvo mėginyje kurio sucukrinimui naudotas Depol TM 692L ir Stargen fermentai (4,02), o maţiausia - mėginyje su Pentopan BG ir Stargen fermentais (3,74).
Pagal gautus tyrimo rezultatus galima teigti, kad naudojant fermentinių preparatų priedus fermentacijos efektyvumui padidinti nevisuomet galima gauti didesnes etanolio išeigas. Tai galima sieti su mielių S. cerevisiae fermentacijos ribotu pajėgumu, skaldyti įvairius sudėtingus angliavandenius.
3.1.2. Acetaldehido, etilacetato ir metilacetato kiekis etanolyje, pagamintame iš mikronizuotų rugių
Atlikus analizę nustatyta, kad atitinkami biokatalizatoriai turi skirtingą įtaką acetaldehido, etilacetato ir metilacetato formavimuisi mėginiuose (4 pav.).
a b
4 pav. Acetaldehido, etilacetato ir metilacetato kiekis etanolyje pagamintame iš mikronizuotų rugių (a – acetaldehido kiekis; b – etilacetato kiekis ; c – metilacetato kiekis)
c
4 pav. tęsinys. Acetaldehido, etilacetato ir metilacetato kiekis etanolyje pagamintame iš mikronizuotų rugių (a – acetaldehido kiekis; b – etilacetato kiekis ; c – metilacetato kiekis)
Acetaldehido nustatyta mėginiuose su biokatalizatoriais Ecopulp ® TX-200-A ir Stargen, Pentopan BG ir Stargen, Depol TM 680P ir Stargen, Depol TM 692L ir Stargen bei su fermentu Stargen. Didţiausias acetaldehido kiekis nustatytas mėginyje, kurio sucukrinimui buvo naudota Pentopan BG ir Stargen biokatalizatorių kompozicija (185,12 mg/l). Naudojant Stargen biokatalizatorių nustatytas maţiausias acetaldehido kiekis mėginyje (137,32 mg/l). Acetaldehido visai nenustatyta mėginuose be fermentų bei su Ceremix® ir Depol TM 680P kompozicija ir su Stargen fermentu.
Etilacetato nustatyta meginiuose su biokatalizatorių kompozicija Ecopulp ® TX-200-A ir Stargen, Pentopan BG ir Stargen, Depol TM 680P ir Stargen, Depol TM 692L ir Stargen. Didţiausias kiekis etilacetato nustatytas, kai ţaliavos sucukrinimui naudoti fermentai TM 692L ir Stargen (2446,59 mg/l), maţiausias kiekis - su fermentų kompozicija Depol TM 680P ir Stargen (121,92 mg/l). Etilacetato nesusidarė mėginiuose be fermentų ir tuose mėginiuose, kurių ţaliavos sucukrinimui buvo naudoti fermentai Ceremix® ir Stargen bei Stargen.
Metilacetato nustatyta meginiuose be fermentų ir su biokatalizatoriumi Stargen. Didţiausias metilacetato kiekis nustatytas mėginyje be fermentų (572,12 mg/l), maţiausias kiekis - su biokatalizatorium Stargen (178,72 mg/l). Kituose mėginiuose, kurių sucukrinimui buvo naudoti biokatalizatoriai, metilacetato nenustatyta.
Pagal gautus tyrimo rezultatus galima teigti, kad fermentinių kompozicijų panaudojimas ţaliavos sucukrinimui įtakojo acetaldehido ir etilacetato formavimąsi mėginiuose, tačiau metilacetato kiekiui mėginiuose fermentai įtakos neturėjo, nes metilacetas nustatytas tik mėginiuose, kurių sucukrinimui fermentai nebuvo naudoti.
3.1.3. Metanolio ir aukštesniųjų alkoholių: propanolio, izobutanolio ir izoamilo alkoholio, kiekis etanolyje, pagamintame iš mikronizuotų rugių
Atlikus analizę, ţaliavos sucukrinimui naudojant įvairias biokatalizatorių kompozicijas, nustatytos skirtingos metanolio, propanolio, izobutanolio ir izoamilo kitimo tendencijos mėginiuose (5 pav.). Metanolio nustatyta visuose mėginiuose, didţiausias kiekis nustatytas mėginiuose, kurių ţaliavos sucukrinimui naudota biokatalizatorių kompozicija Depol692L ir Stargen (2288,83 mg/l). Maţiausias kiekis nustatytas mėginiuose su Pentopan BG ir Stargen (1043,07 mg/l).
Didţiausias kiekis propanolio nustatytas mėginyje be fermentų ir mėginyje su Stargen biokatalizatoriumi, atitinkamai, 743,52 mg/l ir 794,56 mg/l. Maţiausias propanolio kiekis nustatytas mėginyje su Ceramix ir Stargen biokatalizatorių kompozicija.
Didţiausias kiekis izobutanolio nustatytas mėginyje be fermentų (1343,85 mg/l) bei mėginiuose su biokatalizatorių kompozicijomis Ecopulp TX-200-A ir Stargen, Pentopan BG ir Stargen, atitinkamai, 1316,26 mg/l ir 1319,94 mg/l. Maţesnis izobutanolio kiekis susidarė mėginiuose su biokatalizatorių kompozicijomis Ceramix ir Stargen, Depol680P ir Stargen, Depol692L ir Stargen, atitinkamai, 1092,38 mg/l, 1171,48 mg/l ir 1000,01 mg/l bei su biokatalizatoriumi Stargen (1097,07 mg/l).
Izoamilo alkoholio kiekis visuose mėginiuose skyrėsi paklaidų ribose: be fermentų 2300,08 mg/l, su Ecopulp TX-200-A ir Stargen 2206,63 mg/l, su Ceramix ir Stargen 2055,92 mg/l, su Pentopan BG ir Stargen 2244,69 mg/l, su Depol680P ir Stargen 2229,11 mg/l, su Depol692L ir Stargen 2044,51 mg/l, su Stargen 2067,83 mg/l.
a b
5 pav. Metanolio ir aukštesniųjų alkoholių (propanolio, izobutanolio ir izoamilo alkoholio) kiekis etanolyje, pagamintame iš mikronizuotų rugių (Pastaba: a – metanolio kiekis; b – propanolio kiekis; c – izobutanolis; d – izoamilo alkoholis)
c d
5 pav. tęsinys. Metanolio ir aukštesniųjų alkoholių (propanolio, izobutanolio ir izoamilo alkoholio) kiekis etanolyje, pagamintame iš mikronizuotų rugių (Pastaba: a – metanolio kiekis; b – propanolio kiekis; c – izobutanolis; d – izoamilo alkoholis)
Pagal gautus tyrimo rezultatus galima teigti, kad metanolio aspektu saugiausi mėginiai, kurių fermentacija buvo vykdoma be biokatalizatorių. Tačiau, dėl metanolio toksiškumo, reikia įvertinti, kad gaminant etanolį ir sucukrinimui naudojant pastaruosius fermentinius preparatus (ypač Depol TM
692L), gamyboje turėtų būti numatyta rektifikacija, kurios metu aukštesnieji alkoholiai ir kiti fuzelio junginiai būtų atskirti (išvalyti).
Puiki priemonė propanolio kiekiui etanolyje sumaţinti galėtų būti fermentinių preparatų ir jų derinių panaudojimas masės sucukrinimui. Propanolio formavimasis etanolio gamyboje gali būti siejamas su aplinkos veiksniais (temperatūra, pH ir kt.) fermentavimo metu bei S. cerevisiae mielių polinkiu gaminti etanolį su įvairiais šalutiniais produktais (Nevoigt E., 2008).
Fermentinių preparatų panaudojimas maţai įtakojo izobutanolio ir izoamilo alkoholio formavimąsi, nes tiek be jų, tiek su jais, šių aukštesniųjų alkoholių kiekiai mėginiuose kito paklaidų ribose. Galima teigti, kad fermentinių preparatų priedai neturėjo reikšmingos įtakos izobutanolio ir izoamilo alkoholio kiekiui mėginiuose.
3.1.4. Suminis aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio junginių kiekis etanolyje, pagamintame iš mikronizuotų rugių
Atlikus aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio junginių suminio kiekio analizę buvo gauti skirtingi šių junginių kiekių rezultatai (8 lentelė). Mėginiuose, kurių sucukrinimas buvo vykdytas pridėjus Ceramix ir Stargen fermentinių preparatų, buvo gautas maţiausias aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio junginių kiekis (4827,91 mg/l), o didţiausias šių junginių kiekis susidarė mėginyje, su
8 lentelė. Aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio junginių kiekis etanolyje, pagamintame iš mikronizuotų rugių Mėginiai Acetal-dehidas Metil-acetatas Etil-acetatas Meta-nolis Propa-nolis Izobuta-nolis Izoamilo alkoholis Suminis kiekis Be fermentų 0 572,12 +/- 5,7 0 1232,03 +/- 12,3 743,52 +/- 7,4 1343,85 +/-13,4 2300,08 +/- 23 6191,59 +/- 61,9 Ecopulp TX-200-A 154,21 +/- 1,5 0 151,84 +/- 1,5 1194,12 +/- 11,9 639,51 +/- 6,3 1316,26 +/- 13,1 2206,63 +/- 22 5662,56 +/- 56,6 Ceramix 0 0 0 1192,78 +/- 11,9 486,83 +/- 4,8 1092,38 +/- 10,9 2055,92 +/- 20,5 4827,91 +/- 48,2 Pentopan BG 185,12 +/- 1,8 0 156,22 +/- 1,5 1043,07 +/- 10,4 542,12 +/- 5,4 1319,94 +/- 13,1 2244,69 +/- 22,4 5491,17 +/- 54,9 Depol680P 0 0 121,92 +/-1,2 1298,36 +/- 12,9 569,91 +/- 5,6 1171,48 +/- 11,7 2229,11 +/- 22,1 5390,78 +/- 53,9 Depol692L 148,77 +/- 1,4 0 2446,59 +/-24,4 2288,83 +/- 22,8 532,56 +/- 5,3 1000,01 +/- 10 2044,51 +/- 20,4 8461,27 +/- 84,6 Stargen 137,32 +/- 1,3 178,72 +/- 1,7 0 1515,73 +/- 15,1 794,56 +/- 7,9 1097,07 +/- 10,9 2067,83 +/- 20,4 5791,24 +/- 57,9 Statistinė analizė Vidutinė vertė 85,49 107,3 410,9 1395 615,6 1192 5121 5974 Standartinis nuokrypis 80,22 215,5 900,6 419,2 115,4 136,1 7884 1173 Standartinė paklaida 30,32 81,46 340,4 158,5 43,62 51,43 2980 443,2 P 0,0304 0,236 0,2727 <0,0001 <0,0001 <0,0001 0,1365 <0,0001 Variacijos koef., % 93,84 200,94 219,15 30,05 18,75 11,42 153,95 19,63 Pastaba: P – skirtumo tarp rezultatų reikšmių patikimumas, P patikimas, kai P ≤ 0,05
3.2. Aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio junginių formavimosi etanolyje, pagamintame iš topinambų aerobiniu būdu, rezultatai
3.2.1 Raugalo parametrai
Atlikus raugalo pagrindinų rodiklių analizę, nustatytos skirtingos pH ir bendro titruojamojo rūgštingumo (BTR) kitimo tendencijos, o etanolio koncentracija visuose mėginiuose nustatyta vienoda (9 lentelė). Didţiausia pH vertė nustatyta K. marxianus fermentuotuose mėginiuose (4,87), o maţiausia mėginyje, fermentuotame K. arosophlazum (4,09).
Didţiausias BTR nustatytas mėginyje, fermentuotame K. dobzhenski (3,5°), o maţiausias mėginyje, fermentuotame K. marxianus (2°).
9 lentelė. Kluyvermyces mielų įtaka raugalo parametrams nenaudojant fermentų Mėginiai Etanolio kiekis,
tūrio % Bendras titruojamasis rūgštingumas, °N pH K.dobzhenski 6 3,5 4,39 +/- 0,06 +/- 0,035 +/- 0,043 K.arosophlazum 6 3 4,09 +/- 0,06 +/- 0,03 +/- 0,04 K.lactis 6 2,8 4,3 +/- 0,06 +/- 0,028 +/- 0,043 K.bulgaricus 6 2,8 4,27 +/- 0,06 +/- 0,028 +/- 0,042 K. marxianus 6 2 4,87 +/- 0,06 +/- 0,02 +/- 0,048 Statistinė analizė Vid.vertė 6 2,82 4,384 Stand. nuokrypis 0 0,54 0,2927 Stand. paklaida 0 0,24 0,1309 P 0,0003 <0,0001 Variacijos koef., % 0 19,16 6,68
Pastaba: P – skirtumo tarp rezultatų reikšmių patikimumas, P patikimas, kai P ≤ 0,05
Pagal gautus tyrimo rezultatus galima teigti, kad naudojant Kluyveromyces skirtingų porūšių mieles, topinambų poţeminės dalies fermentacijai, gaunama vienoda etanolio išeiga, bet skirtingi raugalo BTR bei pH parametrai.
3.2.2. Acetaldehido, etilacetato ir metilacetato kiekis etanolyje, pagamintame iš topinambų aerobiniu būdu
Atlikus analizę nustatyta, kad atitinkamos Kluyveromyces skirtingų porūšių mielės turi skirtingą įtaką acetaldehido, etilacetato ir metilacetato formavimuisi mėginiuose (6 pav.).
a b
c
6 pav. Fuzelio junginių kiekis etanolyje pagamintame iš topinambų nenaudojant fermentų (a – acetaldehido kiekis; b – etilacetato kiekis ; c – metilacetato kiekis)
Acetaldehido susidarė mėginiuose, fermentuotuose K. dobzhanski, K. lactis ir K. marxianus mielėmis. Didţiausias acetaldehido kiekis nustatytas mėginyje, fermentuotame K. lactis mielėmis (168,35 mg/l). Naudojant K. dobzhanski mieles fermentacijai, nustatytas maţiausias acetaldehido kiekis (14,88 mg/l.). Acetaldehido nenustatyta mėginuose, fermentuotuose K. arosphlarum ir K.
bulgaricus mielėmis.
Etilacetato nustatyta K. dobzhanski, K. arosphlarum, K. bulgaricus ir K. marxianus mielėmis fermentuotuose mėginiuose. Didţiausias kiekis nustatytas K. marxianus mielėm fermentuotuose mėginiuose (7924,96 mg/l), maţiausias - K. arosphlarum mielėmis (492,91 mg/l). Visiškai nenustatyta mėginuose, kurių fermentacijai buvo naudotos K. lactis mielės.
Metilacetato nustatyta tik mėginiuose, fermentuotuose K. dobzhanski mielėmis (141,71 mg/l). Kituose mėginiuose, fermentuotuose Kluyveromyces skirtingų porūšių mielėmis, metilacetato nesusidarė.
Pagal gautus tyrimo rezultatus galima teigti, kad Kluyveromyces skirtingų porūšių mielės skirtingai įtakoja acetaldehido, etilacetato ir metilacetato susidarymo kiekį mėginiuose, o saugiausi šių junginių aspektu yra mėginiai, fermentuoti K. arosphlarumi ir K. bulgaricus mielėmis, nes metilacetato ir acetaldehido mėginiuose nesusidarė. Tačiau etilacetato nedidelis kiekis susidarė fermentuojant tiek su K. arosphlarumi, tiek su K. bulgaricum. Tokį etilacetato susidarymą galima susieti su rūgščių buvimu, kurios reaguodamos su alkoholiais sudaro esterius, šiuo atveju etilacetatą.
3.2.3. Metanolio ir aukštesniųjų alkoholių: propanolio, izobutanolio ir izoamilo alkoholio, kiekis etanolyje, pagamintame iš topinambų aerobiniu būdu
Nustatytos skirtingos metanolio, propanolio, izobutanolio ir izoamilo kitimo tendencijos etanolio mėginiuose (7 pav.). Metanolio nustatyta mėginiuose, fermentuotuose K. lactis, K.
bulgaricus, K. marxianus mielėmis, didţiausias jo kiekis susidaro naudojant fermentacijai K. lactis
mieles (2529,08 mg/l), maţiausias - K. bulgaricus (607,8 mg/l).
Propanolio nustatyta visuose tirtuose mėginiuose, didţiausias kiekis nustatytas mėginyje, fermentuotame K. dobzhanski mielėmis (923,23 mg/l). Maţiausias propanolio kiekis nustatytas mėginyje, fermentuotame K. arosphlarum mielėmis (212,39 mg/l).
Izobutanolio nustatyta mėginiuose, fermentuotuose K. dobzhanski, K. bulgaricus ir K.
marxianus. Didţiausias izobutanolio kiekis nustatytas mėginyje, fermentuotame K. marxianus
(21240,3 mg/l), maţiausias - K. bulgaricus mielėmis (615,93 mg/l).
Izoamilo nustatyta visuose tirtuose mėginiuose, didţiausias kiekis nustatytas mėginyje, fermentuotame K. dobzhanski (1255,85 mg/l). Maţiausias izoamilo alkoholio kiekis nustatytas mėginyje, fermentuotame K. arosphlarum mielėmis (288,91 mg/l).
a b
c d
7 pav. Aukštesniųjų alkoholių kiekis etanolyje pagamintame iš topinambų nenaudojant fermentų (a – metanolio kiekis; b – propanolio kiekis; c – izobutanolis; d – izoamilo alkoholis)
Pagal gautus tyrimo rezultatus galima teigti, kad metanolio, propalio, izobutanolio ir izoamilo alkoholio kiekis etanolyje, pagamintame iš topinambų aerobiniu būdu, priklauso nuo
Kluyveromyces mielių porūšių. Metanolis bei izobutanolis susidarė ne visuose mėginiuose.
Didţiausias metanolio kieks susidaro naudojant K. lactis mieles, o izobutanolio - K. marxianus mieles.
Propanolio bei izoamilo alkoholio kiekis etanolyje, kurio gamybai naudotos skirtingų porūšių mielės, kito paklaidų ribose.Tiek propanolio, tiek izoamilo alkoholio didţiausias kiekis susidarė, kai etanolio gamybai buvo naudotos K.dobzhanski mielės o maţiausias - K. arosphlarum mielės.
3.2.4. Suminis aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio junginių kiekis etanolyje, pagamintame iš topinambų aerobiniu būdu
Atlikus aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio junginių suminio kiekio analizę buvo nustatytos skirtingos jo kitimo tendencijos (10 lentelė). Mėginiuose, kurių fermentacijai buvo naudojamos K.
arosphlarum mielės, gautas maţiausias aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio junginių kiekis
(994,21 mg/l), o didţiausias šių junginių kiekis susidarė mėginyje, kurio fermentacijai naudotos K.
marxianus mielės (32029,05 mg/l).
10 lentelė. Aukštesniųjų alkoholių ir kitų fuzelio junginių kiekis etanolyje, pagamintame iš topinambų Mėginiai be katalizatorių Acetaldehi-das Metilace-tatas Etilace-tatas Meta-nolis Propa-nolis Izobuta-nolis Izoamilo-alkoholis Suminis kiekis mg/l K.dobzhanski 14,88 +/- 0,14 141,71 +/- 14,1 629,69 +/- 6,2 0 923,23 +/- 9,2 918,73 +/- 9,1 1255,85 +/- 12,5 3884,09 +/- 38,8 K. arosphlarum 0 0 492,91 +/-4,9 0 212,39 +/- 2,1 0 288,91 +/- 28 994,21 +/- 9,9 K. lactis 168,35 +/- 1,6 0 0 2529,08 +/- 25,2 446,73 +/- 4,4 0 607,68 +/- 6 3751,84 +/- 37.5 K. bulgaricus 0 0 900,101 +/- 9 607,8 +/- 6 836,42 +/- 8,3 615,93 +/- 6,1 1137,77 +/- 11,3 4098,021 +/- 40,9 K. marxianus 104,88 +/- 10,4 0 7924,96 +/- 79,2 992,76 +/- 9,9 748,3 +/- 7,3 21240,3 +/- 21,1 1017,9 +/- 10,1 32029,05 +/- 32 Statistinė analizė Vid.vertė 557,62 28,34 1990 825,9 633,4 4555 861,6 8951 Stand. nuokrypis 75,72 63,37 3334 1042 296 9336 402,7 12963 Stand. paklaida 33,88 28,34 1491 465,9 132,4 4175 108,1 5797 P 0,1642 0,3739 0253 0,1509 0,0087 0,3366 0,0087 0,1974 Variacijos koef., % 131,49 223,61 167,58 126,12 46,73 204,96 46,73 144,82 Pastaba: P – skirtumo tarp rezultatų reikšmių patikimumas, P patikimas, kai P ≤ 0,05
3.2.5. Fermentų įtaka raugalo, fermentuoto K. arosophlazum mielėmis, fizikiniams cheminiams rodikliams
Atlikus raugalo pagrindinų rodiklių analizę, nustatytos skirtingos pH, BTR ir etanolio kiekio kitimo tendencijos (11 lentelė). Didţiausia pH reikšmė nustatyta mėginio, kurio ţaliavos
sucukrinimui naudotas Pentopan BG biokatalizatorius (4,01), o kituose mėginiuose pH kito paklaidų ribose vidutinė reikšmė (3,9).
Atlikus raugalo BTR analizę, didţiausias BTR nustatytas mėginio, kurio ţaliavos sucukrinimui naudotas Depol692L fermentinis preparatas (3,8°), o maţiausias mėginio, kurio ţaliavos sucukrinimui naudotas Depol680P (3°).
Nustačius etanolio koncentraciją, maţiausia ji nustatyta mėginyje, kurio ţaliavos sucukrinimui naudotas Pentopan BG biokatalizatorius (2 tūrio %). Kituose mėginiuose etanolio koncentracija nustatyta (4 tūrio %)
11 lentelė. Fermentų įtaka raugalo parametrams naudojant K. arosophlazum mieles Mėginiai Etanolio kiekis, tūrio % Bendrasis rūgštingumas, °N pH
Pentopan BG 2 +/- 0,02 3,5 +/- 0,035 4,01 +/- 0,04 Depol680P 4 +/- 0,04 3 +/- 0,03 3,9 +/- 0,039 Depol692L 4 +/- 0,04 3,8 +/- 0,038 3,91 +/- 0,039 Ecopulp TX-200-A 4 +/- 0,04 3,5 +/- 0,035 3,89 +/- 0,038 Stargen 4 +/- 0,04 3,6 +/- 0,036 3,9 +/- 0,039 Statistinė analizė Vid.vertė 3,6 3,48 3,822 Stand. nuokrypis 0,8944 0,295 0,0497 Stand. paklaida 0,4 0,1319 0,02223 P 0,0008 < 0,0001 < 0,0001 Variacijos koef., % 24,85 8,48 1,27
Pastaba: P – skirtumo tarp rezultatų reikšmių patikimumas, P patikimas, kai P ≤ 0,05
3.2.6. Acetaldehido, metilacetato ir etilacetato kiekis etanolyje, pagamintame iš topinambų fermentuojant K. arosophlazum mielėmis ţaliavos sucukrinimui naudojant įvairius
biokatalizatorius
Atlikus analizę nustatyta, kad atitinkami biokatalizatoriai panašiai įtakoja acetaldehido, etilacetato ir metilacetato kiekį mėginiuose (8 pav.). Acetaldehido nustatyta mėginiuose, kurių gamybai naudoti biokatalizatoriai: Pentopan BG, Depol TM 680P ir Depol TM 692L. Didţiausias acetaldehido kiekis nustatytas mėginyje, kurio gamybai naudotas Depol TM 692L biokatalizatorius (78,8 mg/l). Naudojant Depol TM 680P biokatalizatorių nustatytas maţiausias acetaldehido kiekis
(39,81 mg/l.). Acetaldehido nenustatyta mėginuose, kurių gamybai naudoti Ecopulp ® TX-200-A ir Stargen fermentai.
Metilacetato nustatyta mėginiuose, kurių gamybai naudoti Pentopan BG, Depol TM 680P ir Depol TM 692L. Didţiausias metilacetato kiekis nustatytas mėginyje, kurio gamybai naudotas Depol TM 692L biokatalizatorius (233,76 mg/l.), maţiausias - Pentopan BG (69,49 mg/l.). Kituose mėginiuose metilacetato nenustatyta.
Etilacetato nustatyta visuose mėginiuose. Didţiausias kiekis nustatytas mėginiuose, kurių gamybai naudotas Depol TM 692L biokatalizatorius (8300,17 mg/l), maţiausias - Stargen (2295,77 mg/l).
a b
c
8 pav. Fuzelio junginių kiekis etanolyje, pagamintame iš topinambų, naudojant fermentus ir K. arosophlazum mieles (a – acetaldehido kiekis; b – etilacetato kiekis ; c – melacetato kiekis)
Pagal gautus tyrimo rezultatus galima teigti, kad naudoti biokatalizatoriai panašiai įtakoja acetaldehido, metilacetato ir etilacetato susidarymą mėginiuose. Acetaldehidas ir metilacetas susidarė mėginiuose su vienodais biokatalizatorias: Pentopan BG, Depol TM 680P ir Depol TM 692L. Didţiausias acetaldehido, metilacetato ir etilacetato kiekis nustatytas mėginuose, kurių ţaliavos sucukrinimui naudotas Depol TM 692L.
3.2.7. Metanolio ir aukštesniųjų alkoholių: propanolio, izobutanolio ir izoamilo alkoholio kiekis etanolyje, pagamintame iš topinambų, fermentuojant K. arosophlazum mielėmis
ţaliavos sucukrinimui naudojant įvairius biokatalizatorius
Atlikus etanolio mėginių analizę, kurio gamybai buvo naudoti įvairūs biokatalizatoriai, nustatytos panašios metanolio ir izobutanolio bei propanolio ir izoamilo alkoholio kitimo tendencijos (9 pav.) Metanolio nustatyta visuose mėginiuose, o didţiausias jo kiekis susidarė gamyboje naudojant Depol 680P (2741,11 mg/l). Maţiausias metanolio kiekis nustatytas, gamybai naudojant Stargen (610,06 mg/l).
a b
c d
9 pav. Aukštesniųjų alkoholių kiekis etanolyje pagamintame iš iš topinambų naudojant fermentus ir K. arosophlazum mieles (a – metanolio kiekis; b – propanolio kiekis; c – izobutanolis; d – izoamilo alkoholis)
Didţiausias propanolio kiekis nustatytas mėginyje, kurio gamybai naudotas Depol TM 692L (1344,45 mg/l), maţiausias - mėginyje, kurio gamybai naudotas Pentopan (530,38 mg/l).
Izobutanolio didţiausias kiekis susidarė naudojant biokatalizatorių Depol 680P (1946,79 mg/l). Maţiausias kiekis nustatytas ţaliavą sucukrinant Stargen biokatalizatoriumi (961,15 mg/l).
