Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 8
1.1. Агротехника возделывания пивоваренного ячменя 8
1.2. Биотехнологические основы хранения пивоваренного ячменя 11
1.2.1. Изменение жизнеспособности при хранении ячменя 11
1.2.2. Биохимические процессы при хранении ячменя 13
1.2.3. Технология хранения ячменя 15
1.3. Биотехнологические и биохимические процессы при производстве пивоваренного солода 19
1.3.1. Технология замачивания и биохимические изменения в зерне. . . 19
1.3.2. Технология солодоращения и активация ферментов зерна 22
1.3.3. Сушка и хранение солода 26
13.4. Применение физических и химических способов в регуляции солодоращения 28
1.4. Активные формы кислорода и антиоксидантная система 33
1.4.1. Активные формы кислорода и их биологическая роль 33
1.4.2. Окислительные процессы в биотехнологии пива 38
1.4.3. Антиоксиданты: биологическая роль и применение в биотехнологии. . 40
1.4.4. Антиоксидантные ферменты 44
1.4.5. Применение антиоксидантов в биотехнологии напитков 47
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ЛИТЕРАТУРНОМУ ОБЗОРУ 49
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 51
2.1. Объект и методы исследования 51
2.2. Биотехнологические показатели качества 51
2.3. Технологические показатели качества ячменя и солода 54
2.4. Статистическая обработка данных 55
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 56
3.1. Влияние условий выращивания и хранения на биотехнологические показатели и антиоксидантный статус ячменя 56
3.1.1. Технологические показатели ячменя, выращенного в Иркутской области 56
3.1.2. Влияние условий хранения на окислительные и антиоксидантные процессы ячменя 70
3.2. Антиоксиданты, окислительные и биотехнологические процессы при производстве светлого пивоваренного солода 85
3.2.1. Антиоксиданты и окислительные процессы при замачивании пивоваренного ячменя 85
3.2.2. Антиоксиданты и окислительные процессы при проращивании пивоваренного ячменя 92
3.2.3. Антиоксиданты как показатель качества и биохимических процессов при производстве пивоваренного солода 97
3.2.4. Биохимические процессы и антиоксидантный статус при различных режимах аэрации солода 100
3.2.5. Содержание антиоксидантов и продуктов перекисного окисления липидов при сушке и хранении светлого пивоваренного солода 104
3.3. Влияние физических факторов и биологически активных веществ на солодоращение и биотехнологические показатели солода 107
3.3.1. Влияние ультрафиолетового облучения на окислительные процессы и активность антиоксидантной системы 107
3.3.2. Влияние инфракрасного света на окислительные процессы при интенсификации солодоращения 113
3.3.3. Влияние химических регуляторов солодоращения на антиоксидантные и окислительные процессы 113
3.3.4. Содержание антиоксидантов в отходах пивоваренного и солодовенного производства и перспективы их использования 117
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 126
ВЫВОДЫ 127
Список использованной литературы 129
ПРИЛОЖЕНИЕ 146
- Агротехника возделывания пивоваренного ячменя
- Объект и методы исследования
- Влияние условий выращивания и хранения на биотехнологические показатели и антиоксидантный статус ячменя
Введение к работе
Актуальность работы. Производство пивоваренного солода — сложный технологический процесс, включающий в себя: хранение и сортировку пивоваренного ячменя; замачивание, солодоращение и сушку свежепроросшего солода; обработку и хранение солода.
Солодоращение - проращивание различных сортов зерновых культур в специально создаваемых и регулируемых условиях с целью накопления и активации в них гидролитических ферментов, способных осахаривать крахмал. С целью снижения потерь на дыхание и ростовые процессы солодоращение ведут при слабом освещении, пониженной температуре и высокой влажности.
В процессе солодоращения зерну необходимо находиться в богатой кислородом окружающей среде [44, 154]. Однако стремление использовать кислород при хранении, замачивании и солодоращении зерна способствует активации окислительных процессов, приводящих к потере питательных веществ на дыхание и рост. В пивоварении роль кислорода огромна, но его присутствие на некоторых стадиях технологического процесса, как установлено многими учеными и практиками, недопустимо [143, 169]. Помимо молекулярного кислорода роль окислителя в солоде и пиве могут выполнять активные формы кислорода (АФК) [15]. Благодаря своей высокой реакционной способности они снижают пищевую ценность продукта, а также негативно влияют на показатели качества и стойкость напитка [50]. Стойкость пива существенно зависит от содержания низкомолекулярных антиоксидантов (АО), основным поставщиком которых, является пивоваренный солод [138]. Антиоксиданты - соединения, защищающие от свободно-радикального окисления, широко используются в пищевой промьппленности и биотехнологии [98, 113, 171]. Структурные и функциональные нарушения, вызванные различными причинами, как правило, усиливают активацию кислорода, что в свою очередь ведет к новым нарушениям, усугубляя первоначально нанесенный ущерб.
Повышение эффективности производства солода — одна из важнейших задач пищевой биотехнологии. Поэтому исследования, направленные на изучение биохимических процессов при получении высококачественного солода
с минимальными потерями сухого вещества и высокой ферментативной активностью, являются весьма важными. Ясное представление об этих свойствах и взаимосвязях зерновой массы с технологическим режимом хранения и солодоращения позволят избежать потерь и снижения качества готовой продукции. Динамика развития научной литературы, посвященной активным формам кислорода, антиоксидантной системе, окислительным процессам и их участию в биохимических процессах говорит о стремительно растущем к ним интересе биотехнологов и биохимиков.
Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы является изучение роли антиоксидантной системы при производстве пивоваренного солода, установление закономерностей проявления ее реактивности на действие физических методов и регуляторов солодоращения, а также исследование перспективы применения антиоксидантов в солодовенном производстве.
В соответствии с поставленной целью определены следующие задачи:
Доказать возможность выращивания в Иркутской области пивоваренного ячменя, пригодного для получения светлого пивоваренного солода и предложить перспективные сорта.
Исследовать показатели качества, окислительные процессы и антиоксидантами статус ячменя при различных условиях хранения.
Проследить изменение активности антиоксидантной системы и интенсивности перекисного окисления липидов при замачивании, солодоращении и сушке пивоваренного ячменя.
Изучить влияние физических воздействий и биологически активных веществ на антиоксидантый статус и технологические показатели солода.
Исследовать возможность использования антиоксидантов как регуляторов солодоращения.
Определить содержание низкомолекулярных антиоксидантов в отходах солодовенного и пивоваренного производства и исследовать возможность использования экстрактивных антиоксидантов при солодоращении ячменя.
Научная новизна. Исследована динамика изменения окислительных процессов и антиоксидантного статуса зерна при различных условиях хранения пивоваренного ячменя. Установлено влияние химических соединений и физических факторов на окислительные процессы и антиоксидантный статус зерна и солода. Исследована активность антиоксидантной системы и интенсивность перекисного окисления липидов в производственных условиях при различных режимах замачивания и солодоращения пивоваренного ячменя. Показаны закономерности участия окислительных процессов и антиоксидантной системы в регуляции биохимических процессов при хранении и солодоращении пивоваренного ячменя. На основании биохимических исследований доказана возможность использования антиоксидантной системы как биохимического показателя хранения и солодоращения пивоваренного ячменя. Определено содержание низкомолекулярных антиоксидантов в отходах солодовенного и пивоваренного производства.
Практическая значимость работы. Показана целесообразность использования пивоваренного ячменя, выращенного в Восточной Сибири при производстве светлого солода. На основании проведенных экспериментальных исследований определены оптимальные концентрации и способы использования антиоксидантов при регуляции солодоращения ячменя; представлены методы применения физических воздействий на стадии замачивания и проращивания пивоваренного ячменя. В работе предложен способ определения качества зерна по показателю активности антиоксидантной системы, позволяющий выбрать оптимальный режим ведения технологического процесса и максимально использовать потенциальные возможности ячменя. Разработаны практические рекомендации по использованию экстрактов из отходов солодовенного и пивоваренного производства для регуляции биотехнологических процессов при солодоращении ячменя. Получен акт производственных испытаний в филиале «Пивоварня Хейнекен Байкал» ООО «Объединенные Пивоварни Хейнекен» (от 7.04.2008.).
Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались на заседании кафедры органической химии и пищевой технологии ИрГТУ (Иркутск, 2004-07); «Перспективы развития технологии, экологии и автоматизации пищевых производств» (Иркутск, 2004, 2005, 2006, 2007), «Знания — в практику» (Иркутск, 2001), «Пищевые технологии, качество и безопасность продуктов питания» (Иркутск, 2006); на Всероссийской научной конференции «Биологически активные добавки и здоровое питание» (Улан-Удэ, 2001); Международной научно-практической конференции «Прогрессивные технологии развития» (Тамбов, 2004); Всероссийской конференции «Пищевые технологии» (Казань, 2004, 2007), Всероссийской научно-технической конференции «Молодые ученые - Сибири» (Улан-Удэ, 2003); 2-й Международной научно-практической конференции «Составляющие научно-технического прогресса» (Тамбов, 2006); на смотре-конкурсе НИР работа на тему «Ресурсосберегающие технологии в производстве пива» удостоена дипломом (Иркутск, 2006); V-ой Международной научно-практической конференции «Современные тенденции развития АПК в России» (Красноярск, 2007).
Публикации. По теме диссертации опубликована 21 печатная работа, в том числе 8 статей в журналах, рекомендованных ВАК.
Личное участие автора. Личный вклад соискателя заключается в постановке и проведении экспериментов, в статистической обработке, интерпретации и публикации полученных результатов.
Благодарность. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д.б.н. В.В. Верхотурову за профессиональное и доброжелательное руководство; к.б.н., доценту В.Ю. Гребенщикову за помощь и ценные советы, высказанные в процессе обсуждения диссертационной работы. Автор искренне благодарит заведующего кафедрой биотехнологии ВСГТУ д.б.н. профессора В.Ж. Циренова, сотрудников ИрГТУ, ИГСХА, ИрИХ, СИФИБР СО РАН, филиал «Пивоварня Хейнекен Байкал» ООО «Объединенные Пивоварни Хейнекен» и Тулунскую НИСС за всестороннюю помощь и поддержку, оказанные при подготовке диссертации.
Агротехника возделывания пивоваренного ячменя
Ячмень, используемый для производства пивоваренного солода должен соответствовать требованиям указанным в ГОСТ 5060-86. В пивоваренной промышленности исользуют крупное зерно, обладающее высокой способностью прорастать, отличающееся повышенным содержанием крахмала (60-70%) и экстрактивных веществ (78-82%), малым количеством белка (9-12%), тонкой и светлой оболочкой (7-9%). На получение ячменя, соответствующего нормам пивоваренной промышленности, основное влияние оказывает технология его возделывания [31,110].
Для ячменя характерен очень быстрый темп развития. Он более продуктивно использует запасы зимне-весенней влаги, успевает сформировать зерно до наступления сухой и жаркой погоды второй половины лета. Благодаря этому ячмень в засушливых зонах дает более высокие и стабильные урожаи, чем пшеница и овес. Зерно ячменя начинает прорастать при температуре 1-2С. Наиболее благоприятная в первый период развития ячменя температура 10-15С. Всходы ячменя могут выдерживать кратковременные заморозки до 5-8С. Резкие колебания, а также высокие температуры в сочетании с низкой влажностью воздуха в период налива зерна отрицательно сказываются на пивоваренных свойствах. Действие неблагоприятных факторов усугубляется при дефиците почвенной влаги [12, 99].
Общее потребление воды растением ячменя возрастает в период от всходов до колошения. Недостаток воды в фазы выхода в трубку-колошение отрицательно сказывается на урожайности. Дефицит влаги в фазу молочной спелости сопровождается усьгханием стеблей и листьев, прекращением образования крахмала в зерне, повышением доли белковых веществ, снижением выравненное и крупности зерна [106].
Сроки посева пивоваренного ячменя зависят от агроэкологических особенностей земель, погодных условий, запасов почвенной влаги засоренности почвы и т.д. Учитывая, что ячмень - относительно холодостойкая культура, то возможны ранние сроки сева (конец апреля первая-половина мая). В зерне поздних сроков сева содержание белка увеличивается на 1,5 - 2%, экстрактивностъ снижается на 2 - 4%, возрастает пленчатость, уменьшается выравненность и крупность [29].
Наибольший выход фракции зерна необходимой крупности достигается при загущении посевов, поэтому ячмень для производства солода рекомендуется сеять гуще, чем на кормовые цели (в среднем 5,0-6,5 млн. семян на 1 га). Более высокие нормы высева способствуют снижению белка в зерне и повышению экстрактивности [139].
Жизнедеятельность растений ячменя зависит от глубины заделки семян. Сеют ячмень не глубже 3-4 см на тяжелых суглинистых и глинистых почвах и 4-5 см на легко- и среднесуглинистых. При раннем посеве во влажные годы глубину заделки можно уменьшать, а в засушливые увеличивать на 1 см. [84].
Основа эффективного применения технологий для выращивания пивоваренного ячменя - севообороты. Правильно выбранный предшественник без дополнительных затрат повышает урожай зерна ярового ячменя на 20 -60%. Место ячменя в севообороте определяется режимом влажности почвы предшествующей культуры. Ячмень, предназначенный для производства солода, лучше всего размещать после культур, оставляющих поля чистыми от сорняков со средним содержанием азота в почве. Больше всего для выращивания ячменя на пивоваренные цели подходят хорошо удобренные пропашные и озимые культуры. В почве на паровом поле обычно бывает высокое содержание нитратов, а после пропашных культур оно резко снижается, что обеспечивает допустимое количество белка в пивоваренном ячмене. Несмотря на некоторое снижение урожайности по сравнению с паром, пропашной предшественник способствует формированию высококачественного зерна пивоваренного ячменя, которое по содержанию белка и экстрактивности соответствует стандарту. Так, возделываемый после кукурузы пивоваренный ячмень имеет лучшие физико-химические показатели качества зерна [31, 99].
Объект и методы исследования
Объектом исследования являлись сорта ячменя Скарлетт, Гонар (Курская обл.) [150], Кедр (Красноярский край), Соболек, Сигнал (Алтайский край), Ача, Одесский 100, Неван, Зазерский 85, Одесский 115 (Иркутская обл.), Дворан (Тамбовская, Оренбургская область).
В качестве реактивов использовались: о-фенантролин — фирмы «Serva» (Германия); ТБК — ос.ч. (Реахим); тритон Х-100 — препарат фирмы «Ferak Berlin» (Западный Берлин); этанол; о-дианизидин (ОДН) марки ч.; перекись водорода — 30%-ный водный раствор, ос.ч. («Реахим», Россия); НАДФН, НАД , НАДФ+, глюкозо-6-фосфат фирмы "Reanal" (Венгрия); свежеприготовленный раствор гемоглобина, 10 мг/мл; 20 %-й раствор ТХУ; нингидриновый реагент; тирозин. Этанол очищали перегонкой; ОДН -возгонкой в вакууме; использовали соли ос.ч. или дважды перекристаллизованные из бидистиллированной воды.
Для измерения рН растворов использовали лабораторный рН — метр, марки ОР-211/1 (Венгрия) с точностью до ±0,1 ед. рН. Калибровку прибора проводили стандартными буферными растворами.
Взвешивание навесок анализируемых проб проводили на аналитических весах ВЛКТ-500-М (Россия), PRLT Т — 4 (Польша).
Биотехнологические показатели качества
Определение перекисного окисления липидов с помощью тиобарбитуровой кислоты (ТБК). Содержание малонового диальдегида (МДА) исследовали по реакции с ТБК при X = 532 нм (Б = 155мм-1 см"1) с нашими модификациями. К 0,5 мл супернатанта последовательно добавляли 0,5мл 1%-ного раствора тритона Х-100, ОД мл 0,6 М НС 1 и 0,8 мл 0,06 М ТБК. Смесь нагревали на кипящей водяной бане 10 мин. Охлаждение проводили при 15 С - 30 мин. Для стабилизации окраски добавляли ОД мл 5 мМ трилона Б и 5 — 10 мл 96%-ного этанола. Контролем служила пробирка, в которую добавляли те же растворы, кроме ТБК. Содержание МДА в проростках выражали в нмоль/г сухой массы [122].
Определение активности пероксидазы. Активность пероксидазы определяли при 25 С по начальной скорости о-дианизидина (ОДН) перекисью водорода. К 2,2 мл 0,1 М натрий-фосфатного буфера рН 7,0 добавляли 0,1 мл раствора супернатанта и 0,1 мл 0,43 мМ раствора о-дианизидина в 96%-ном этаноле. Реакцию инициировали введением ОД мл 16мМ перекиси водорода. После быстрого перемешивания реагентов, скорость реакции регистрировали на спектрофотометре по увеличению поглощения раствора продукта окисления о-дианизидина при X = 460 нм є = 30 MIVT CM"1 [80, 122]. За единицу активности фермента принимали количество о-дианизидина (мкмоль), окисленного за 1 мин на 1 г сухой массы.
Определение активности супероксиддисмутазы. В настоящей работе использован подход для измерения активности СОД по аутоокислению адреналина. Метод основан на измерении количества образующегося продукта окисления адреналина в отсутствие дополнительных источников генерации 0{, имеющего поглощение в области 347. Процедура проведения реакции аутоокисления адреналина: к 2 мл 0,2 М бикарбонатного буфера, рН 10,65 добавляли 100 мкл 0,1% раствора адреналина, тщательно и быстро перемешивали, помещали в спектрофотометр при длине волны 347 нм (волновое число 28,8) в течение 3 мин. При работе с растительным материалом в кювету к 2 мл буфера добавляли 10 мкл исследуемого экстракта и затем 100 мкл 0,1% раствора адреналина, перемешивали и измеряли нарастание оптической плотности как описано выше. В контрольную пробу, против которой проводилось измерение, также добавляли 10 мкл этого же экстракта, но не вносился адреналин. О скорости окисления адреналина судили по изменению оптической плотности, измеренной при 347 нм за 3 минуты. При расчете величины активности СОД учитывали количество биологического материала вносимого в исследуемую пробу. Удельную активность фермента рассчитывали на ОД ед. оптической плотности при 280 нм. О величине активности СОД судили по степени ингибирования им скорости аутоокисления адреналина [134].
Влияние условий выращивания и хранения на биотехнологические показатели и антиоксидантный статус ячменя
Ячмень — одна из ценнейших сельскохозяйственных культур, производству которой всегда уделялось повышенное внимание. Для производства солода пивоваренного ячменного в РФ применяют пивоваренные сорта ярового ячменя.
Сокращение посевных площадей и снижение урожайности ячменя в России привели к возрастанию импорта солода в нашу страну. В этой связи, актуальным является расширение сырьевой базы и исследования качества новых сортов пивоваренного ячменя, районированных в различных областях России [99].
В Восточно-Сибирском регионе России выращивают множество сортов ячменя, в том числе и пивоваренные сорта, что позволяет использовать местный ячмень взамен импортного и завозимого из европейских регионов России. Иркутская область географически удалена от основных производителей пивоваренного солода. Это непосредственно сказывается на финансовых затратах при производстве пива.
Как видно из таблицы 1 технологические показатели качества пивоваренного ячменя, завозимого для производства светлого солода на пивоваренное предприятие г. Иркутска, соответствует 2 классу.
Несмотря на то, что многорядные сорта ячменя редко применяются в пивоваренной практике, нами исследованы технологические показатели четырехрядного сорта Соболек и шестирядного — Неван (табл. 2).
Сорт Соболек имеет гладкие симметричные зерна, размер и внешний вид которых соответствует ГОСТу. Наблюдались отклонения по показателям: способности прорастать и содержание белка.
Сорт Неван, районированный в Иркутской области, морфологически отличается от сортов, отвечающих ГОСТу: изогнутые несимметричные зерна, легкие, меньшей плотности. Такие зерна быстро впитывают замочную воду, что активизирует рост гусаров и ведет к низкому синтезу гидролитических ферментов и потерям сухого вещества на рост. Из результатов следует, что данные сорта не рекомендуется использовать в качестве сырья для производства светлого солода.
Основные требования к зерну пивоваренного ячменя изложены в ГОСТ 5060-86. Высококачественный ячмень должен иметь следующие показатели: натура 600 — 750 г/дм ; масса 1000 зерен — более 45 - 50 г; сход с сита с размером отверстий 2,5x20 мм — не менее 85; способность прорастать — не менее 95%.
Крупное зерно содержит больше веществ, определяющих плотность пива, оно более равномерно замачивается, равномерно растворяется, меньше греется при соложении, что уменьшает потери на рост [66].
