Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние технологии аналогов напитка «кислые щи» 7
1.1 Теоретические и технологические аспекты процессов, происходящих при приготовлении квасного сусла 8
1.1.1 Роль фракционного состава дробленого солода в технологии получения сусла 8
1.1.2Биохимические основы получения сусла 13
І.І.ЗПолучение заторов в производстве кваса 22
1.1.4Получение заторов в производстве пива 24
1.1.5 Фильтрование заторов для получения пивного и квасного сусла 28
1.2 Теория и практика сбраживания сусла для напитков из зернового сырья 34
1.2.Шроцессы, протекающие при главном брожении 34
1.2.2Технология сбраживания сусла при приготовлении квасов кустарного производства 36
1.3 Характеристика культур, применяемых для сбраживания напитков из зернового сырья 39
1.3.1 Закваски, применяемые для сбраживания напитка "кислые щи" 39
1.3.2Микроорганизмы для сбраживания квасного сусла 40
ГЗ.ЗМикроорганизмы, участвующие в приготовлении пива 47
1.4 Математическое моделирование процесса брожения 50
1.5 Состав напитков из зернового сырья 53
ГЛАВА 2. Материалы и методы исследования 56
2.1 Сырьё и материалы, использованные в работе 56
2.2 Методы определения углеводов 57
2.3 Методы определения азотистых веществ 59
2.4 Методы определения этанола и побочных летучих продуктов брожения и цветности 60
2.5 Экспериментальная установка для приготовления особого игристого кваса 61
ГЛАВА 3. Технология приготовления сусла для особого игристого кваса 62
3.1 Воспроизведение традиционного напитка 62
3.2 Разработка промышленной технологии сусла для особого игристого кваса 63
3.3 Исследование и оптимизация состава сусла 65
З.ЗЛИзучение влияния различных композиций зернопродуктов на показатели квасного сусла 65
3.3.2Оптимизация компонентного состава зернопродуктов по физико-химическим показателям 72
З.З.ЗИсследование возможности замены ржаного солода ячменным 82
3.4 Исследование фракционного состава белков сусла для особого игристого кваса 83
3.5 Исследование процесса фильтрования затора для особого игристого кваса 86
3.5.1 Исследование процесса фильтрования с использованием фильтрационного аппарата 86
3.5.2Исследование процесса фильтрования с использованием фильтрующей центрифуги 88
З.З.ЗИзучение влияния состава помола на показатели отфильтрованного на центрифуге сусла для особого игристого кваса 89
3.5.4 Сравнительный анализ качественных показателей сусла после каждого из способов фильтрования 94
3.5.5Выбор наиболее рационального состава помола для центрифугирования 96
ГЛАВА 4. Технология брожения и дображивания особого игристого кваса 98
4.1 Исследование процесса брожения комбинированного зернового сусла 98
4.1.1 Исследование процесса брожения с применением различных микроорганизмов 102
4.2 Исследование процесса дображивания специальных сортов выдержанного кваса 106
4.2. 1Изучение динамики содержания азотсодержащих веществ (по фракциям) в процессе дображивания напитков 107
4.2.2Исследование динамики содержания этанола и побочных продуктов при выдерживании напитка ПО
4.2.3Математическое моделирование процесса периодического культивирования смешанной культуры дрожжей и молочнокислых бактерий 113
ГЛАВА 5. Технологическая схема получения особого игристого кваса 119
5.1 Органолептические и физико-химические показатели готового напитка 119
5.2 Технологическая схема получения особого игристого кваса 120
Выводы : 123
Список использованных источников
- Роль фракционного состава дробленого солода в технологии получения сусла
- Методы определения азотистых веществ
- Разработка промышленной технологии сусла для особого игристого кваса
- 1Изучение динамики содержания азотсодержащих веществ (по фракциям) в процессе дображивания напитков
Введение к работе
Актуальность работы. В конце 90-х годов XX века в России потребительский рынок стал проявлять интерес к старинным забытым национальным напиткам. В тоже время производители прохладительных слабоалкогольных и безалкогольных напитков заинтересованы в расширении ассортимента изделий. Кроме того, правительство Российской Федерации разработало концепцию государственной политики в области здорового питания населения на период до 2005 г., утверждённую постановлением Правительства РФ № 917 от 10.08.1998 г., в которой отдаётся предпочтение разработке новых видов пищевых продуктов, приготовленных с использованием нетрадиционных видов сырья, и способствующих укреплению здоровья населения.
Продуктом, отвечающим всем перечисленным выше требованиям, является особый игристый квас. Этот напиток просуществовал в России сравнительно недолго - с конца XVII до начала XX века, т.е. около 200 лет, в то время, как квас известен более 1000 лет /83/. Его производство было кустарным, никогда не существовало технологии крупномасштабного производства этого напитка, не было и методов техно-химического контроля производства.
Напитку никогда не уделяли должного внимания, хотя он очень интересен с точки зрения потребительских свойств, и позиции биотехнологии. "Особый игристый квас" - продукт совместного молочнокислого и спиртового брожения, однако, в отличие от кваса, брожение законченное. Поведение смешанных культур микроорганизмов в производстве кваса не достаточно изученный вопрос. Периодическая культура такого типа, в условиях дображивания и выдержки не изучалась. Кроме того, применение такого разнородного состава зерновой засыпи, как при приготовлении этого напитка, встречается только в спиртовом производстве.
Цель и задачи исследования. Целью исследования является разработка технологии особого игристого кваса на основе современных биотехнологиче-
ских представлений о процессах сбраживания сусла из поливидов зернового сырья.
Исходя из поставленной цели были определены следующие задачи:
проанализировать состав и органолептические свойства сусла и напитка, приготовленного по сохранившимся историческим рецептурам;
разработать технологию приготовления комбинированного зернового сусла с использованием типового оборудования, исследовать и оптимизировать композицию зернопродуктов для получения сусла, наиболее близкого к историческому;
изучить процесс ферментации сусла смешанной культурой дрожжей и молочнокислых бактерий, выбрать наиболее целесообразный качественный и количественный состав закваски;
разработка математической модели периодической ферментации сусла с использованием культуры дрожжей и молочнокислых бактерий в условиях дображивания для управления процессом биосинтеза особого игристого кваса;
разработать технологию промышленного производства и техническую документацию на предлагаемый напиток.
Научная новизна
- получены уравнения, позволяющие рассчитать физико-химические по
казатели сусла для особого игристого кваса и определить оптимальный
состав зернопродуктов, применяемых для его приготовления;
* - усовершенствованы методики исследования углеводного и белкового (по фракциям) состава продуктов, предложена методика определения цветности;
- разработан новый способ приготовления сусла для особого игристого
кваса;
впервые исследован углеводный и белковый (по фракциям) состав смешанного зернового сусла и особого игристого кваса, получены закономерности, позволяющие прогнозировать физико-химические показатели сусла и особого игристого кваса в зависимости от состава зерновой за-сыпи;
разработана аналитическая модель ферментации смешанной периодической культуры микроорганизмов в условиях контролируемой конкуренции;
разработана технология особого игристого кваса с использованием типового оборудования. ч ^
Практическая ценность и реализация результатов работы. Согласно проведенным исследованиям, внедрение напитка особого игристого кваса в производство позволит:
- расширить ассортимент слабоалкогольных напитков более дешевым и
качественным русским национальным напитком;
- рационально использовать сырьё, за счет утилизации дробины повысить
рентабельность производства;
- повысить эффективность контроля производства за счет использования
предложенных методов исследования.
Роль фракционного состава дробленого солода в технологии получения сусла
Дробление солода является важной технологической операцией, влияющей в дальнейшем на процесс приготовления сусла, в том числе на продолжи 9 тельность биохимических процессов растворения мучнистого тела солодового зерна при затирании /18/.
Основной целью дробления является облегчение протекания и ускорение физических и биохимических процессов с тем, чтобы обеспечить максимально возможный перевод экстрактивных веществ в сусло при осахаривании и фильтровании, а также обеспечить максимальный выход экстракта.
Дробленый солод представляет собой смесь частиц разной величины, которые по размеру и внешнему виду делятся на шелуху, крупную крупку, мелкую крупку и муку. Эти составные части помола отличаются как по химическому составу, так и по той роли, которую они играют при затирании. Экстракт образующие вещества муки и мелкой крупки легко расщепляются при затирании и полностью переходят в раствор. Крупная крупка, полученная из плохо растворенных частей зерна, расщепляется медленнее, экстрагируется не полностью. Часть нерастворенного экстракта остается в дробине, что приводит к снижению выхода в варочном цехе /91/.
Идеальный помол солода для затирания требует размельчения эндосперма до размера частиц, обеспечивающих максимальный выход экстракта, и минимальное нарушение целостности оболочки. В действительности в помоле всегда находятся частицы эндосперма и оболочки разной величины.
С позиций реологии затор представляет собой суспензию с относительно большим содержанием твердых частиц. Примерно 19 % частиц помола имеют размеры, превышающие 2 мм. Проведенные нами предварительные исследования показали, что затор ведет себя как структурно-вязкие вещества. Его поведение можно описать уравнением Оствальда. Для спиртового замеса, приготовленного из муки тонкого помола, этот факт подтверждает ряд исследователей /20,21,27,30/.
От степени размельчения солода зависит удельный объем помола и объем влажной дробины. Удельный объем помола для фильтрационного чана должен быть примерно в 1,5 раза, а объем дробины в 1,1 раза больше объема исходного солода. Натурный вес солода, равный 570 г/дм , в помоле для филътрчана близок к 370 г/дм3/108/
Размельчение увеличивает поверхность соприкосновения веществ солода с водой и ферментами. Структура солода, обладающего даже очень хорошим растворением, не однородна и имеет участки зерна как более твердые, трудно поддающиеся дроблению, так и легко превращающиеся в муку. Особенно твердыми, резко сопротивляющимися воздействию вальцов, являются кончики зерен солода, находящиеся на противоположном от зародыша конце, где структурные формы зерна или не подверглись ферментативному воздействию или, в лучшем случае, это воздействие не обеспечило полноты необходимого разрыхления. Раздробление солода не может быть однородным, помол содержит более крупные и более мелкие частицы. Сближение вальцов до такой степени, чтобы нарушить структуру и твердых частиц кончиков зерна, привело бы к получению тонкой муки, причем оболочка зерна тоже неизбежно была бы раздроблена очень тонко /60, 108/.
Частицы оболочки солода являются основой фильтрующего слоя; очень важно, чтобы этот слой был по возможности более рыхлым, что обеспечивается целостностью оболочки. При слишком сильном измельчении оболочки общий объем помола уменьшается, что затрудняет стекание жидкой части затора с содержащимися в ней экстрактивными веществами. Кроме того, такое размельчение ведет к нежелательному извлечению горьких веществ содержащихся в оболочке, что отрицательно сказывается на вкусе пива/18, 60, 108/.
Для нормальной фильтрации затора необходим помол, имеющий определенное соотношение шелухи, крупной крупки, мелкой крупки и муки. Эти фракции обладают различной экстрактивностью и различной способностью подвергаться воздействию воды и ферментов (табл. 1). Растворимые части муки легко переходят в воду, а нерастворимые без особого затруднения подвергаются действию ферментов. Мелкая и в особенности крупная крупка, которая образуется из жестких, плохо разрыхленных частей зерна, с трудом пропитываются водой, содержат меньшее количество веществ, непосредственно растворяющихся в воде, и с трудом подвергаются ферментативному воздействию. Шелуха в чистом виде, конечно, не получается, на ней удерживаются частицы эндосперма, которые в какой-то мере способны переходить в раствор. Все указанные фракции помола солода в конечном итоге участвуют в создании экстракта сусла. Участие их в этом процессе показано в табл. 2. /61/.
Методы определения азотистых веществ
Определяли общий азот по Къельдалю, аминный азот по Попу и Стивен-су. Аминокислотный состав напитка определяли на хроматографе «Милихром 4УФ» производства НПО «Научприбор» г. Орёл. В качестве сорбента служил силикагель с привитыми аминофазами «Нуклеосил Амин» зернением 5 мкм, набитый в микроколонку 2x80 мм. В качестве подвижной фазы служил 40%-ный водный раствор ацетонитрила в фосфатном буфере. Детектирование проводилось при длине волны 220 и 260 нм. Качественное определение состава аминокислот вели по временам удерживания, количественное - по калибровочному графику для каждой аминокислоты /22, 29, 100, 112, 117/.
Фракционный состав белковистых веществ в сусле и готовом напитке определяли посредством эксклюзионной хроматографии с использованием геля сшитого полидекстрана «Сефадекс» G-75 (граница разделения для белков с Мг от 3000 до 40000). Методика определения заключалась в следующем /22, 29, 100/. Предварительно гель помещали в 0,05 моль/дм раствор NaCl для набухания. Затем набухшим гелем заполняли стеклянную колонку диаметром 12 мм и высотой 400 мм и наносили исследуемую пробу в количестве 0,5 см3. Элюцию производили под давлением 50 см водного столба 0,05 моль/дм раствором NaCl. В процессе прохождения пробы через колонку отбирали фракции по 5 см3 в которых, затем, определяли экстинкцию при длине волны 220 нм на спектрофотометре СФ-46. По результатам строили хроматограмму. Фракции, соответствующие одному пику, собирали в отдельную пробирку и определяли оптическую плотность содержимого при длинах волн 260 и 280 нм на СФ-46. Количественное определение белка проводили по методике Варбурга и Кристиана по разности между оптическими плотностями при 280 и 260 нм /100/.
Калибровку колонки по молекулярным массам осуществляли стандартными полистиролами фирмы "Merck" /29/. 2.4Методы определения этанола и побочных летучих продуктов брожения и цветности
Метод основан на различном сродстве веществ к сорбенту, а также на различной степени летучести веществ. Анализ проводили на газожидкостном хроматографе ЛХМ-80. В качестве газа-носителя использовали водород, получаемый в автоматическом режиме в генераторе водорода, подключенному к прибору. В качестве фазы-носителя сорбента служил ПЭГ-400, в качестве сорбента использовали нанодекагексановую кислоту /72/. Колонка набивного типа длиной 5 м и диаметром 3 мм. Качественное определение вели по временам удерживания, количественное - методом абсолютной калибровки.
Для более точного определения цветности напитка была предложена следующая методика. Исследуемый раствор помещается в колориметрическую кювету и обрабатывается с помощью сканера. В программе Photoshop фирмы Aodobe полученное изображение анализируется на цветовой состав, то есть цвет раскладывается на три элементарных цвета: красный, зеленый и синий. Каждый цвет изменяет своё значение в пределах от 0 (0% элементарного цвета входит в состав смешанного цвета) до 255 (100% элементарного цвета входит в состав смешанного цвета). Таким образом можно распознать около 17 млн. (256 ) различных цветов. Стандартизация метода заключается в том, что за белый цвет принимается цвет пустой кюветы. Таким образом, для любого сканера данные по цветности будут воспроизводимы. Преимуществами данного метода являются высокая чувствительность и экспрессность анализа.
Определение влажности дробины, общего экстракта налитка, определение декстринов методом осаждения вели по стандартным методикам, принятым в технохимическом контроле производства пива /110/.
Экспериментальная установка для приготовления особого игристого кваса
Экспериментальная установка состоит из заторного цилиндра объёмом 5 дм (отношение диаметра к высоте 1:3) выработанного из пищевого алюминия, в который погружена мешалка якорного типа с приводом от электродвигателя постоянного тока. Привод мешалки смонтирован на крышке цилиндра. Заторный цилиндр погружен в жидкостной термостат для обогрева заторной смеси. Контроль за температурой затора проводится посредством термометров: контактного, погруженного в жидкость термостата и спиртового — погруженного в затор. Нагрев затора производится автоматически со скоростью 1С в мин. Электродвигатель мешалки подключен к выпрямителю напряжения. Частота вращения мешалки составляет 60-100 об/мин.
Фильтрование затора производится на центрифуге типа Л-330. Кипячение сусла производится в заторном цилиндре посредством его прямого нагрева электрическим нагревателем.
Сбраживание сусла производится в воздушном термостате при температуре 28-30 С в заторном цилиндре, дображивание напитка — в бытовом холодильнике при температуре 4-5 С в герметично закрытых ПЭТ-бутылках.
Разработка промышленной технологии сусла для особого игристого кваса
В результате статистической обработки экспериментальных данных получены следующие уравнения регрессии, адекватно описывающие изменение физико-химических показателей сусла под влиянием исследуемых факторов.
Анализ уравнений регрессии (7-9) позволяет выделить факторы, влияющие в большей степени на качественные показатели сусла.
На содержание сухих веществ в сусле (7) наибольшее влияние оказывает содержание в заторе пшеничной муки (0,53 Х4), меньше - гречневой (0,48 Х5), еще меньше содержание солодов (ячменный 0,25-Х 1, ржаной - 0,23-Х2). Наименьшее влияние на содержание сухих веществ в сусле оказывает содержание ржаной муки (0,004-ХЗ). Все факторы оказывают "положительное" влияние на содержание сухих веществ в сусле (коэффициенты регрессии при линейных членах положительны). Так как сухие вещества квасного сусла представлены в большей степени декстринами, нежели сахарами, то повышенное влияние содержания пшеничной и гречневой муки на их содержание в сусле объясняется, вероятно, высокой крахмалистостью этих продуктов. Малое влияние на состав сухих веществ сусла содержания в засыгш ржаной муки, вероятно, объясняется тем, что при затирании крахмал муки не успевает гидролизоваться, и при центрифугировании затора он вместе с гумми-веществами остается в гуще.
На концентрацию аминного азота в сусле наибольшее влияние оказывают следующие факторы (в порядке уменьшения влияния) - содержание ржаной муки (0,70-ХЗ), пшеничной муки (0,46X4), содержание ржаного солода (0,40X2). Наименьшее влияние на содержание аминного азота в сусле оказывает количество гречневой муки (0,26-Х5). На содержание аминного азота в сусле должно оказывать большое влияние первоначальная белковистость того или иного зернового продукта. Таким образом, сильное влияние на этот параметр количества ржаного солода, ржаной и пшеничной муки объяснимо. Увеличение содержания ячменного солода в заторе снижает содержание аминного азота в сусле (коэффициент перед XI отрицательный). Это можно объяснить тем, что при приготовлении сусла не осуществлялась т. н. белковая пауза. Поэтому можно предположить, что протеолитические ферменты инактивируются в процессе затирания и не расщепляют белок солода до аминокислот и пептидов.
На содержание редуцирующих веществ наибольшее влияние оказывает содержание солодов, наименьшее - содержание пшеничной муки. Наибольшее влияние солодов на содержание редуцирующих веществ в сусле объясняется их технологическим предназначением (для осахаривания клейстеризованного крахмала). Также большое влияние на данный параметр оказывает и содержание ржаной муки в заторе, однако это влияние "отрицательно" (знак "минус" при коэффициенте при ХЗ). Это можно объяснить тем, что используемые режимы приготовления сусла предусматривают температуру ниже, чем температура клейстеризации крахмала ржаной муки, поэтому можно предположить, что не весь её крахмал переходит в растворимое состояние.
На рис. 1-3 показаны кривые зависимостей содержания сухих веществ, аминного азота и редуцирующих веществ в сусле от содержания в засыпи: XI ячменного солода; Х2 - ржаного солода; ХЗ - ржаной муки; Х4 муки; Х5 - гречневой муки.
Из уравнения регрессии (9) следует, что наибольшее влияние на содержание редуцирующих веществ в сусле оказывают первые три фактора. То же самое можно наблюдать и на рис. 3. Факторы, оказывающие статистически адекватное влияние на содержание РВ в сусле, представлены кривыми без перегибов, факторы, оказывающие незначительное влияние, представляются на рис 3. в виде парабол.
Таким образом, получена информация о влиянии факторов и построена математическая модель процесса, позволяющая рассчитать количество сухих веществ, концентрацию аминного азота и редуцирующих веществ в полученном квасном сусле внутри выбранных интервалов варьирования факторов.
Несмотря на достигнутый результат, представляло интерес исследование поверхности отклика по уравнениям регрессии, как для установления влияния факторов, так и для выявления оптимальных количеств зернопродуктов, необходимых для получения квасного сусла высокого качества.
В качестве критериев оптимизации было принято максимальное содержание сухих веществ в сусле и аминного азота, при минимальном содержании редуцирующих веществ.
1Изучение динамики содержания азотсодержащих веществ (по фракциям) в процессе дображивания напитков
Высокомолекулярные фракции белковистых веществ в процессе брожения и дображивания напитка изменяются по похожим законам, некоторое отличие присутствует лишь для фракции с ММ 40 000 Дальтон - в этом случае закон изменения практически линейный. В течение первой недели дображивания количество белковистых веществ с высокими молекулярными массами (более 30000 Дальтон) очень незначительно повышается, вероятно, за счет выделения в среду ферментных комплексов дрожжами и молочнокислыми бактериями. На следующей неделе за счет протеолитических ферментов идет заметное сокращение содержания этих фракций, а также фракций со средней молекулярной массой - от 30 до 5 тыс. Дальтон. Этими процессами обуславливается быстрый рост фракции белковистых веществ с ММ 5000 Дальтон, т.е. средне и низкомолекулярных пептидов и аминокислот.
Третья неделя характеризуется спадом скорости распада высокомолекулярных фракций белковистых веществ с ММ 30 000 Дальтон. В это же время происходит заметное снижение количества низкомолекулярной фракции с ММ 5 000 Дальтон. Скорость распада фракции с ММ 40 000 Дальтон остаётся неизменной, а содержание белковистых веществ фракции с ММ от 10 до 5 тыс. Дальтон несколько повышается. Возможно, это обуславливается началом более активного действия молочнокислых бактерий, которые не могут сами расщеплять высокомолекулярные белковистые вещества до усвояемых форм, и потребляют их из среды. Дрожжи в это время начинают флоккулировать, все процессы обмена веществ практически останавливаются. Этим фактом, а также стабилизацией кислотности напитка, скорее всего, и объясняется выход средне-и высокомолекулярных фракций белка на постоянный уровень.
По полученным результатам получили уравнения регрессии (19-23), описывающие среднее значение изменения фракции за весь процесс брожения и дображивания, где XI, Х2 иХЗ % мае, соответственно, содержание ячменного солода, ржаной и гречневой муки в зерновой засыпи:
Все уравнения адекватно описывают полученные данные с вероятностью 95%, все коэффициенты в уравнениях значимы.
Белковистые вещества с молекулярной массой до 10000 Дальтон содержатся во всех используемых зерновых культурах, поэтому хорошо коррелируют с составом зерновой засыпи.
Белки, пептиды и аминокислоты с молекулярной массой от 10000 до 5000 Дальтон и менее - плохо коррелируют с составом зерновой засыгш. Это объясняется тем, что эти фракции в свободном виде находятся только в солоде и в очень незначительных количествах - в несоложеных материалах, поэтому их изменение связано с процессами затирания и метаболизма дрожжей и молочнокислых бактерий.
Полученные уравнения 19-23 в совокупности с уравнениями 7-14, при условии постоянного состава исходного сырья (зернопродуктов и закваски), позволяют прогнозировать состав сусла и напитка в зависимости от состава исходной зерновой засыпи.
Следующим этапом эксперимента явилось исследование динамики концентрации этилового спирта и летучих примесей в процессе выдерживания (до браживания) напитка. Для этого каждые 7 суток определяли методом газожидкостной хроматографии их количественный и качественный состав. Данные приведены в табл. 23
Как следует из данных таблицы, количество сивушных спиртов (пропанол, изобутанол и изоамилол) увеличивается за время дображивания. Это можно объясняется образованием сивушных спиртов в процессе брожения. Известно, что они образуются из аминокислот в процессе их переаминирования /13, 53, 60/. Сравнивая полученные результаты с динамикой белковой фракции с ММ менее 5000 Дальтон можно предположить, что скорость накопления сивушных спиртов пропорциональна скорости утилизации низкомолекулярных белковистых фракций. Для подтверждения этого предположения проведен эксперимент, результаты которого сведены в табл. 24 Анализируя полученные данные, можно видеть, что процентное соотношение сивушных спиртов в сумме примерно одинаковое и выражается отношением Пропанол : Изобутанол : Изоамилол = 30 : 25 : 45. Зависимость суммы сивушной фракции от количества белковистой фракции с ММ 5 тыс. Дальтон определили с помощью статистического пакета StatGraphics Plus. Эта зависимость выражается уравнением: Y = 4111,92-731,50-Х + 48,12Х2-1,38Х3 +0,02Х4, где Y - сумма сивушной фракции, мг/дм , X - количество белковистой фракции с ММ 5 тыс. Дальтон.
