Оптимизация процесса лиофикации и сакхаризации коричневого риса с использованием методологии поверхностей отклика для производства этанола из зерна

Почему имеет значение превращение коричневого риса в напиток

Коричневый рис часто считается более полезным выбором, чем белый, поскольку сохраняет наружные слои, богатые клетчаткой и полезными растительными соединениями. Но эти же слои затрудняют превращение крахмала зерна в простые сахара, которые дрожжи могут ферментировать в алкоголь для рисового вина и других напитков. В этом исследовании изучается, как тонко настроить термическую обработку и обработку ферментами коричневого риса, чтобы эффективнее использовать его для производства зерновых напитков, таких как макколли, потенциально добавляя вкус и питательную ценность.

От цельного зерна к сладкой стартовой жидкости

Исследователи начали с имитации того, что могла бы делать пивоварня в малых масштабах. Зерна коричневого риса замачивали, пропаривали до мягкости, а затем смешивали с водой. Вместо помола риса использовали цельные зерна и добавляли специализированные ферменты, разрушающие крахмал до меньших молекул сахаров. Процесс проходит в два этапа: лиофикация (liquefaction), где зерна крахмала разбухают и частично расщепляются, и сакхаризация, где оставшиеся фрагменты крахмала превращаются в ферментируемые сахара, такие как глюкоза. Команда стремилась найти комбинации кислотности (pH), температуры и времени, которые давали бы наибольшее количество сахара за максимально короткое практическое время.

Испытание множества условий с помощью умного плана

Вместо изменения одного фактора за раз учёные использовали статистический план эксперимента, называемый методологией поверхностей отклика. Это позволило им варьировать pH, температуру и время нагрева одновременно по сетке тщательно подобранных условий и затем смоделировать, как эти факторы влияют на несколько выходных показателей: растворимые вещества (мерило, близкое к сладости), восстановительные сахара, общие сахара и отдельные сахара — мальтозу и глюкозу. На этапе лиофикации они тестировали температуры от 60 до 100 градусов Цельсия, pH от 3.5 до 6.5 и время нагрева от 1 до 4 часов. Было установлено, что температура и время, гораздо в большей степени чем pH, определяли, насколько крахмал превращался в растворимые вещества и общий сахар, с явной оптимальной зоной около 80 °C и нескольких часов нагрева.

Углубление в этап образования сахаров

Для сакхаризации использовали коричнево-рисовую жидкость, приготовленную при лучших условиях лиофикации, и добавили другой фермент, специализирующийся на расщеплении цепочек крахмала до отдельных молекул глюкозы. На этом этапе более низкий pH и умеренные температуры примерно 50–70 °C благоприятствовали высоким уровням восстановительных сахаров и особенно глюкозы, в то время как слишком длительный нагрев менял соотношение между мальтозой и глюкозой. Подгоняя математические поверхности под данные, авторы определили оптимальный рецепт сакхаризации при pH 3.5, 65 °C и около 4.8 часов, что максимизировало желательные сахара при разумном времени процесса.

Испытание оптимизированного сиропа в ферментации

Чтобы проверить, работает ли оптимизированный процесс в реальной ферментации, команда приготовила 10-литровую партию сиропа из сахаров коричневого риса по этим условиям и внесла стандартные винные дрожжи. В течение десяти дней они отслеживали, как падают уровни сахаров и растёт содержание этанола. Большая часть мальтозы и глюкозы была израсходована к седьмому дню, в то время как этанол постепенно увеличивался и к десятому дню достиг примерно 62.8 миллиграмм на миллилитр. По сравнению с исходными растворимыми веществами это соответствовало кажущейся эффективности преобразования, немного превосходящей теоретический максимум для чистого сахара, что авторы объясняют тем, что первоначальное измерение также включало неферментируемые растворимые компоненты.

Что это значит для напитков из коричневого риса

Проще говоря, исследование показывает, что тщательный контроль температуры нагрева, кислотности и времени в двух ферментных этапах может сделать коричневый рис значительно более пригодным в качестве сырья для алкогольных и ферментированных напитков. Оптимизированные условия давали сиропы, богатые сахарами, которые дрожжи могли превращать в этанол на уровнях, сопоставимых с традиционными рисовыми винами, несмотря на дополнительную клетчатку и отруби в коричневом рисе. Эти результаты дают практическую схему для пивоварен и производителей напитков, которые хотят использовать питательные и маркетинговые преимущества цельнозернового коричневого риса без потери ферментационной эффективности.

Цитирование: Jang, SW., Yu, H.H., Kim, JC. et al. Optimizing brown rice liquefaction and saccharification using response surface methodology for grain ethanol production. Sci Rep 16, 9982 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40430-9

Ключевые слова: этанол из коричневого риса, ферментация с ферментами, рисовое вино, сахаризация, зерновой биоэтанол