Содержание к диссертации
Введение
1 Литературный обзор 8
1.1 Биологически активные вещества пива 8
1.2 Химический состав и пищевая ценность плодово-ягодного сырья 13
1.3 Мед как источник биологически активных веществ 21
1.4 Пшеничные зародышевые хлопья как источник биологически активных веществ 25
1.5 Характеристика дрожжей, используемых при производстве специальных сортов пива 28
1.5.1 Характеристика винных дрожжей 31
1.5.2 Влияние условий культивирования и состава среды на метаболизм дрожжей и формирование органолептических свойств напитков 32
1.6 Производство специальных сортов пива с повышенной пищевой ценностью 37
1.7 Заключение по обзору литературы 44
2 Методология проведения эксперимента 47
2.1 Организация проведения эксперимента 47
2.2 Объекты и методы исследований 49
2.2.1 Объекты исследований 49
2.2.2 Методы исследований 49
3 Обоснование технологии специального пива с использованием сброженных основ из плодово-ягодного сырья, меда и растительного сырья 52
4 Исследование закономерностей развития винных дрожжей при сбраживании плодового сусла для получения сброженных основ 55
4.1 Выбор рас винных дрожжей для сбраживания плодового сусла 55
4.2 Исследование влияния основных факторов среды на процесс развития винных дрожжей 59
4.2.1 Определение нормы засева дрожжевых клеток при сбраживании плодового сусла 60
4.2.2 Влияние экстрактивное начального сусла на жизнедеятельность дрожжей и процесс сбраживания 65
4.2.3 Влияние рН сусла на жизнедеятельность сухих винных дрожжей в плодовом сусле 78
4.2.4 Исследование динамики потребления неорганического фосфора микроорганизмами при разных рН сусла 86
4.2.5 Исследование потребности винных дрожжей в азотистом питании 88
5 Разработка технологии специального пива с использованием плодово-ягодных и медовых сброженных основ, сброженных винными дрожжами 94
5.1 Получение сброженных основ и оценка их стойкости 94
5.2 Разработка рецептур специальных сортов пива 103
6 Исследование процессов получения и сбраживания пивного сусла с добавлением пшеничных зародышевых хлопьев 111
7 Оценка экономической эффективности специальных сортов пива 120
7.1 Расчет экономических показателей для специального пива с добавлением плодово-ягодных сброженных основ 120
7.2 Расчет экономических показателей для функционального пива с внесением хлопьев пшеничных зародышевых 125
Выводы и основные результаты работы 128
Список литературы
- Мед как источник биологически активных веществ
- Объекты и методы исследований
- Исследование влияния основных факторов среды на процесс развития винных дрожжей
- Разработка рецептур специальных сортов пива
Введение к работе
Одной из актуальных проблем, возникающих в последнее время в пищевой и перерабатывающей промышленности, является расширение ассортимента выпускаемой продукции, создание пищевых продуктов обладающих функциональными свойствами для ликвидации дефицита тех или иных компонентов в питании.
По авторитетному мнению медиков, в последнее время здоровье россиян ухудшилось настолько, что данная проблема стала угрожать национальной безопасности.
По оценке ВОЗ здоровье людей определяется: на 10-15 % наследственностью; на 10-20 % экологией; на 10-15 % зависит от уровня системы здравоохранения; в остальном (55-70 %) зависит от образа жизни, важнейшим слагаемым которого является питание.
Правительством РФ утверждена «Концепция государственной политики в области здорового питания населения России», в которой подчеркивается, что продукты питания должны способствовать оздоровлению людей, быть высококачественными и полноценными по составу /4,90/.
Современной тенденцией расширения ассортимента пивоваренного производства является выпуск специальных сортов пива с использованием нетрадиционного растительного сырья с целью формирования новых физико-химических, органолептических и физиологических свойств продуктов.
Обозначенные цели могут быть достигнуты путем применения при разработке новых видов напитков и специального пива, различных источников биологически активных веществ, в частности плодово-ягодного сырья, продуктов переработки зернового сырья.
Развитием теоретических и практических основ получения сброженных напитков на основе плодово-ягодного сырья: вин, сидров -занимались отечественные и зарубежные ученые Н.А. Мехузла, А.Л. Панасюк, А.С. Вечер, Л.А. Юрченко, М. Herrero, J. Slaton и др.
Их работами показано, что различные виды и расы винных дрожжей отличаются условиями культивирования и формируют специфические органолептические показатели продукта, на которые влияют продукты их метаболизма.
В связи с этим возникает необходимость выбора рас дрожжей и исследования условий жизнедеятельности их в сусле при производстве сброженных основ для специального пива.
Повышение пищевой ценности специального пива можно также обеспечить путем внесения продуктов переработки зернового сырья, в частности пшеничных зародышевых хлопьев, богатых аминокислотами, витаминами, минеральными веществами. Их внесение позволит обогатить продукт ценными пищевыми компонентами, а также улучшить условия развития дрожжей, так как эти вещества являются необходимыми элементами питания микроорганизмов.
Однако в связи с использованием зародышевых хлопьев возникает необходимость исследования условий, состава продуктов брожения и влияния липидных компонентов, содержащихся в хлопьях, на технологический процесс производства пива и качество готового продукта.
На основании всего вышеизложенного можно сказать, что создание технологии производства специальных сортов пива с повышенной пищевой ценностью на основе плодово-ягодного сырья, меда и продуктов переработки зернового сырья является актуальным и перспективным направлением.
Научная новизна Обоснована возможность и целесообразность производства специальных сортов пива с повышенной пищевой ценностью путем внесения сброженных основ из плодово-ягодного сырья, полученных сбраживанием сухими винными дрожжами.
Выбраны расы и определены основные параметры развития сухих винных дрожжей на плодово-ягодном сусле при получении сброженных основ для специального пива.
Получена математическая зависимость влияния начальной экстрактивности сусла, нормы засева и продолжительности культивирования на размножение пивных и винных дрожжей в плодовом сусле.
Показана возможность повышения пищевой ценности пива при внесении пшеничных зародышевых хлопьев в качестве несоложеного сырья.
Исследовано изменение липидных компонентов, жирорастворимых витаминов и минеральных веществ пшеничных зародышевых хлопьев при производстве пива.
Практическая значимость работы
Разработана технология производства специальных сортов пива с использованием плодово-ягодных и медовых основ, сброженных сухими винными дрожжами.
Разработана технология производства специального сорта пива функционального назначения с использованием хлопьев пшеничных зародышевых в качестве источника биологически активных веществ.
Разработаны и утверждены ТУ 91 84-066-02068315-2002 «Пиво специальное» и ТИ по его производству с использованием плодовых и медовых сброженных основ»; ТУ 91 84-035-02068315-2004 «Пиво специальное с добавлением пшеничных зародышевых хлопьев» и ТИ по его производству.
Выполнены расчеты экономической эффективности производства специальных сортов пива.
Апробация работы Основные положения работы докладывались на международном симпозиуме «Федеральный и региональный аспекты политики здорового питания» (г. Кемерово, 9-11 октября 2002 г.), на научно-практических конференциях: «Пищевые продукты и здоровье человека» (г. Кемерово, 2003 г.), «Молодые ученые Кузбассу» (г. Кемерово 2003 г.).
Мед как источник биологически активных веществ
Большинство олигосахаридов меда являются трисахаридами, образованными фруктозой. Олигосахариды имеют низкую растворимость в спирте, вследствие чего их ошибочно относили к декстринам. Содержание глюкозы в меде варьирует в пределах 20,4...44,4 %, фруктозы - 21,7...53,9 %. Содержание сахарозы также значительно колеблется в зависимости от происхождения меда - от 0,2 до 5 %, изредка -до 10%.
Редуцирующие дисахариды (мальтоза и др.) в меде составляют 10...14 %. В падевом меде - до 4... 11 % мелецитозы и эрлозы.
Содержание воды в меде 15...23 %, от ее количества зависит ряд физико-химических показателей (вязкость, плотность, кристаллизация) и сохраняемость меда /26/.
Органические кислоты в меде содержатся в небольших количествах. Около 10 % от их общего содержания составляет муравьиная кислота, которая обладает бактерицидным действием. Кроме муравьиной, в меде обнаружены глюконовая, яблочная, янтарная, винная, щавелевая, лимонная, масляная, малеиновая, молочная, пироглутаминовая, валериановая, бензойная кислоты /26,35,105/. Из всех кислот в меде преобладает глюконовая кислота, образующаяся из глюкозы под действием глюкозооксидазы, выделяемой глоточными железами пчел. Общая кислотность колеблется от 0,85 до 4,0 см раствора щелочи, концентрацией 0,1 моль/дм на 100 г меда. Она зависит в основном от ботанического происхождения меда, условий хранения и обработки. Активная кислотность находится в пределе значений рН 3,2.. .6,5.
Благодаря присутствию органических кислот и их солей, мед обладает высокой буферностью.
Содержание золы также зависит от растительного происхождения меда и находится в диапазоне 0,05...1,2 %. Среди химических элементов преобладают калий, натрий, кальций, фосфор, сера, магний, железо, алюминий. Из микроэлементов присутствуют медь, марганец, хром, цинк, титан, йод, и другие. Калий составляет от 1Л до Уг от общего количества минеральных веществ, а вместе с натрием, кальцием и фосфором - не менее 50 %.
Содержание белковых веществ по разным данным 0...1,67 %. Их качественный состав также не однородный. Белковые вещества составляют большую часть коллоидов меда и включают альбумины, глобулины и пептоны.
Аминокислотный состав меда заметно колеблется в зависимости от его ботанического происхождения. Различия заключаются, главным образом, в количественном соотношении отдельных аминокислот. Данные по содержанию аминокислот в монофлерных сортах меда приведены в табл. 1.4 /60/.
Как показано в таблице, в меде преобладают валин, лизин, глутаминовая, аспарагиновая кислоты. По другим данным, до 80 % аминокислот представлены пролином /105/.
Мед, не подвергшийся тепловой обработке, содержит большое число различных гидролитических и окислительно-восстановительных ферментов, активность которых изменяется в процессе хранения.
Установлено, что мед содержит из гидролитический ферментов — инвертазу ((3-фруктофуранозидазу), диастазу (смесь а- и р-амилаз), эстеразу, кислую фосфатазу, протеолитические ферменты; из оксидоредуктаз — каталазу, пероксидазу, глюкозооксидазу, полифенолоксидазу.
Инвертаза в меде состоит из нескольких ферментов, которые гидролизуют сахарозу, некоторые ди- и трисахариды, а также может осуществлять синтез Сахаров более высокого порядка за счет переноса групп моносахаров. Оптимальные условия для ее действия: рН 6,0...6,2, температура 25...30 С, концентрация субстрата 10...20 %.
Роль диастазы в меде не выяснена, так как для ее действия отсутствует субстрат. Предполагается, что она попадает из секрета слюнных желез пчел и из пыльцы. Присутствие диастазы является основным признаком натуральности меда /26/.
Глюкозооксидаза катализирует процесс окисления глюкозы до глюконовой кислоты с выделением перекиси водорода. Считается, что бактерицидные свойства меда проявляются благодаря этой реакции. Выделяющаяся перекись водорода разлагается с образованием атомарного кислорода, который подавляет микрофлору. В водных растворах под действием глюкозооксидазы 1 г меда накапливается от 1,25 до 33 мкг перекиси водорода/5,80,105/.
Объекты и методы исследований
Анализ сырья проводили по основным физико-химическим показателям. Определение сухих веществ в сырье определялось методом высушивания, экстрактивность — методом настаивания /9/ содержание Сахаров - методом Бертрана и йодометрически; содержание органических кислот оценивалось по титруемой кислотности, витамина С — йодометрическим методом /96/.
Определение сухих веществ сока проводили рефрактометрическим методом в соответствии с ГОСТ 87562 - 70 /20/.
Титруемую кислотность сока, сусла, готовых напитков определяли методом прямого титрования по ГОСТ 12788 - 87 /21/. Активную кислотность определяли при помощи лабораторного иономера марки И-130.2М. Содержание аминного азота в соке, сусле, готовых сброженных основах определено йодометрическим методом. Содержание белка — по методу Лоури 191. Содержание Сахаров в сусле определяли йодометрическим методом Вилыптеттера-Шудля 191.
Фосфор определяли колориметрическим методом с аскорбиновой кислотой и пересчитывали на Р2О5 /32/. Общее число дрожжевых и почкующихся клеток подсчитывали в камере Горяева /29/. Определение этилового спирта и действительного экстракта проводили дистилляционным методом (путем перегонки) /22,23/.
Высшие спирты определяли методом газожидкостной хроматографии на хроматографе с пламенно-ионизационным детектором в СЭС г. Кемерово
Определение диацетила проводили по методу Бреннера /108/, определение эфиров - по способу Виндиша - Кольбаха 191.
Содержания изогумулона в сусле и пиве определяли спектрофотометрическим методом на приборе марки СФ-46/96/. Определение полифенолов в сусле и пиве проведено методом Еруманиса /69/. Содержание Na, К, Mg определяли методом атомно-абсорбционной спектрометрии (пламенный метод) на приборе «Спектр - 5» в СЭС г. Кемерово
Содержание а-токоферола ацетата и ретинола ацетата (витамины Е и А) определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии на приборе фирмы «Perkin-Elmer» в СЭС г. Кемерово
Состав липидных фракций в сусле и пиве определили методом тонкослойной хроматографии на пластинках «Силуфол» /52/. Все исследования проводились в 3-4 кратной повторности и обрабатывались статистически. В экспериментальной части приведены средние значения показателей.
Изучение теоретических положений производства функционального пива, напитков на основе плодов, ягод, меда, а также специальных сортов пива с использованием сброженных основ из перечисленных видов сырья, позволяет сделать вывод о перспективности этого направления.
Как показано в обзоре литературы, добавки могут выполнять различные функции: технологические (обладая бактерицидными свойствами, способствуют осветлению пивного сусла), фармакологические - смягчают действие алкоголя на организм, повышают пищевую ценность пива.
Тем не менее, использование добавок при производстве пива и напитков не решает всех теоретических и практических задач. Создание технологий специального пива и слабоалкогольных напитков, прежде всего, должно опираться на исследования и разработку технологических режимов, на традиционные для пивоварения технологические процессы, имеющееся технологическое оборудование и производственный опыт.
При создании специальных продуктов общеукрепляющего, лечебного действия более целесообразно использовать природные добавки. Их достоинства как обогащающих компонентов, прежде всего, заключаются в комплексности состава, взаимном дополнении активных ингредиентов, большей стабильности активных веществ в природных объектах/98/.
Выбранные нами, в качестве БАД продукты переработки плодово-ягодного сырья, мед, хлопья пшеничные зародышевые, представляют собой природное сырье с высокой пищевой ценностью. Они имеют важное значение не только как источник легкоусвояемых белков, жиров, углеводов и минеральных элементов. Высокое содержание витаминов, ферментов, каратиноидов, лецитина, холина, нуклеиновых кислот и т.д., делает их полифункциональными /63/.
Исследование влияния основных факторов среды на процесс развития винных дрожжей
Для эффективного брожения и развития дрожжей в сбраживаемой среде необходимо соблюдение рациональных режимов и поддержания оптимального состава сусла. Известно, что на жизнедеятельность микроорганизмов влияет экстрактивность сусла, его рН, наличие азотистого и минерального питания, присутствие ростовых факторов в среде.
Нами исследовано влияние основных факторов среды на процесс размножения дрожжей, их физиологическое состояние и динамику сбраживания сусла.
Исследования проводили на примере плодово-ягодного сусла, которое получали на основе сока яблок сибирских сортов. Сусло готовили как описано в разделе 4.1.
Выбор оптимальных параметров процесса брожения проводили последовательно по схеме: - определение нормы засева дрожжевых клеток; - исследование влияния экстрактивности начального сусла на размножение дрожжей и их физиологическое состояние; - определение оптимального диапазона рН; - исследование потребности в азотистом питании; - исследование и анализ изменения концентрации фосфора в среде при сбраживании сусла.
Согласно технологической инструкции по использованию винных дрожжей исследованных рас, норма внесения дрожжей выбранной нами расы VNJ составляет 5-8 г/дал. Нами исследован процесс брожения сусла, дрожжами названной расы в диапазоне концентраций 3-10 г/дал. Определение оптимальной дозы внесения дрожжей проводили на основании анализа динамики брожения сусла, процесса их размножения и физиологического состояния культуры.
Процесс брожения проводили при температуре 25 С, сусло имело экстрактивность начального сусла 12 %, активную кислотность 3,3; аминный азот 27 мг/100 см , содержание фосфора 136 мг/100 см . В процессе брожения контролировали изменение экстрактивности ежесуточно, общую концентрацию дрожжевых клеток, процент мертвых и почкующихся клеток в первые 12 часов через 2 часа, затем через 24 часа. Динамика брожения приведена на рис. 4.2. Как видно из рисунка, скорости сбраживания сусла с разными дозами винных дрожжей достаточно близки. Все графики характеризуются медленным разбраживанием сусла. Общая продолжительность брожения составила более 3-х суток, при этом не достигнута необходимая степень сбраживания. Очевидно, это связано, в первую очередь, с неоптимальными условиями брожения и недостатком питательных веществ в среде.
Как сказано выше, недостаток аминного азота в плодовом сусле может лимитировать рост дрожжей. Однако потребность в усвояемом азоте зависит непосредственно от величины засева. При слишком высокой концентрации дрожжевых клеток, удельная скорость их размножения значительно меньше, А чем при низком засеве /70/. Динамика накопления биомассы дрожжей, изменение количества мертвых и почкующихся клеток в процессе брожения при различной исходной концентрации клеток представлены на рис. 4.3-4.5. Из представленных графиков видно, что заметное увеличение скорости роста наблюдается, только при начальной величине засева дрожжей 5 г/дал. Дальнейшее увеличение начальной концентрации дрожжевых клеток не обосновано и ведет к торможению процесса брожения. Необходимый прирост дрожжей при достаточно высокой скорости размножения обеспечивается первоначальным засевом 5 г/дал сусла.
Начальная концентрация сухих веществ среды является одним из важнейших факторов, влияющих на процесс брожения и качество напитков.
Известно, что винные дрожжи расы VNJ сбраживают сусло в диапазоне до 18-20 % сухих веществ. Учитывая, что при производстве слабоалкогольных напитков, в том числе пива, следует ограничить накопление спирта 6-7 %, концентрация сусла не должна превышать 18 %. В то же время, слишком высокое содержание сухих веществ создает повышенное осмотическое давление, что может отрицательно сказаться на их метаболизме. Нами исследована динамика сбраживания сусла в диапазоне концентраций 12-18 %, а также влияние различных концентраций сухих веществ на размножение дрожжей. Для сравнения параллельные исследования проводились для пивных дрожжей.
Разработка рецептур специальных сортов пива
Исходя из полученных данных, можно отметить, что максимальный прирост клеток наблюдается при значении рН 3,0 и норме засева дрожжей 8 г/дал, но вместе с тем увеличивается количество мертвых клеток, а также замедляется процесс размножения. Это объясняется повышенной нормой задачи дрожжей. При использовании дозировки дрожжей 5 г/дал сусла максимальный прирост клеток достигается при значении рН 3,0. Из графиков 4.24 и 4.25 видно, что при указанной дозировке дрожжей заметно снижается количество мертвых клеток, и увеличивается скорость размножения дрожжей.
Таким образом, для сбраживания плодового сусла винными дрожжами расы VNJ рекомендуется поддерживать активную кислотность среды в диапазоне 3,0-4,0; оптимальная норма внесения дрожжей составляет, 5 г/дал сусла.
Исследование динамики потребления неорганического фосфора микроорганизмами при разных рН сусла Жизнедеятельность дрожжей в значительной мере определяется минеральным составом сусла, который зависит, с одной стороны, от состава воды, а с другой - от состава используемого сырья.
Минеральные вещества являются важнейшим компонентом питания, наряду с белками, жирами и углеводами, играющими важную роль в метаболизме живых организмов. Микро- и макроэлементы участвуют в поддержании активности ферментативных систем, создают буферность внешней и внутренней среды.
Важная роль отводится фосфору, который участвует в реакциях окислительного фосфорилирования энергетических субстратов в процессе их потребления.
Для своего роста дрожжи нуждаются в довольно большом количестве неорганического фосфата, и его недостаток приводит в отдельных случаях к дегенерации дрожжей. По литературным данным известно, что в сусле содержится 450 - 900 мг/дм Р2О5, из которых треть составляют органические фосфаты /30/. Содержание неорганического фосфата может быть увеличено путем уменьшения количества Са в воде, идущей на приготовление сусла, а также низкое значение рН.
Нами исследовано влияние рН среды на потребление фосфора винными дрожжами в плодовом сусле. Дополнительно фосфорное питание не вносили, так как в сусле из сока яблок сибирских сортов достаточно высокое содержание неорганического фосфора - 136 мг/100 см3. Дрожжи культивировали на плодовом сусле с начальным содержанием сухих веществ 12 %, концентрацией аминного азота 20 мг/100см3, норма задачи дрожжей составила, 5 и 8 г/дал, при значениях рН от 2,0 до 5,0. Концентрацию фосфора контролировали в первые четыре часа каждый час, затем ежесуточно. Данные представлены в табл. 4.3.
Из таблицы видно, что более активное потребление фосфора происходит в первые часы брожения при значениях рН менее 4,0. При более низких значениях рН у винных дрожжей процессы их жизнедеятельности проходят наиболее активно. Так как для поддержания их жизненных функций при экстремальных условиях брожения (рН 2,0), дрожжи начинают потреблять ростовые и питательные вещества с наибольшей скоростью. Для винных дрожжей нехарактерны среды с активной кислотностью более 4,0. В связи с этим, все физиологические процессы дрожжевых клеток проходят вяло. Процесс брожения имеет затухающий вид, в связи, с чем дрожжи практически перестают потреблять питательные и ростовые вещества среды. Также при неоптимальных условиях культивирования, размножение дрожжей происходит медленно, соответственно и прирост биомассы значительно снижается (эти данные представлены в разд. 4.2.3, таблица 4.2).
В целом, исходя из полученных данных, можно сказать, что содержание в среде неорганического фосфора 120-140 мг/100 см , достаточно для нормальной жизнедеятельности винных дрожжей при поддержании рН среды от 3,0 до 4,0. Развитие исследуемой культуры дрожжей происходит активно, максимальный прирост биомассы наблюдался в образце с рН 3,0 и нормой задачи дрожжей 5 г/дал сусла на пятые сутки брожения.
Исследование потребности винных дрожжей в азотистом питании
Азотистые вещества оказывают значительное влияние на качество напитков, полученных сбраживанием винными дрожжами. Они прямо и косвенно участвуют в образовании аромата, вкуса, цвета напитка, определяют во многом его стабильность к помутнениям. В состав азотистых веществ плодовых напитков входят азотистые вещества плодов, а также дрожжей.
Азотистые вещества являются необходимой питательной средой для дрожжей. Наиболее легко усваивается ими аммиачный азот. Важнейшим источником азота для дрожжей служат аминокислоты плодов, в нашем исследовании использовали яблоки сибирских сортов, а также черноплодная рябина.
Основной задачей данного эксперимента является определение уровня аминного азота в среде, при котором наблюдается оптимальный прирост биомассы дрожжей. При накоплении биомассы более 3-х кратного количества к засеву увеличится расход сухих веществ и вместе с тем произойдет избыточный синтез побочных и вторичных продуктов брожения - высших спиртов и диацетила. Количество названных метаболитов зависит непосредственно от интенсивности размножения дрожжей.
В качестве источников усвояемого азота использована сухая добавка «Витамон ультра», предназначенная для питания винных дрожжей. «Витамон ультра» - питательное вещество для дрожжей, содержащее дрожжевую оболочку и клеточные части, способствующие стимулированию жизнедеятельности дрожжей и предотвращающие влияние веществ, тормозящих брожение. Продукт содержит также диаммоний фосфат и витамин В]. При внесении этого препарата живые дрожжи получают дополнительное азотистое питание, способствующее размножению.
Сусло готовили из яблочного сока, массовую долю сухих веществ сусла доводили до 12 % сахарным сиропом и стерилизовали. Полученное сусло содержало аминного азота 20 мг/100 см3, рН доводили лимонной кислотой до значения 3,2. Из полученного сусла готовили образцы с различным содержанием азотосодержащей добавки. Добавку вносили в количестве: 1 , 2, 4, 6 г/дал сусла. Затем в сусло вносили дрожжи расы VNJ, норма засева составляет 5 г/дал. Брожение вели в термостате при температуре 25 С. Динамика брожения плодового сусла при различной исходной концентрации аминного азота представлена на рис. 4.29.
