Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 9
1.1.Состояние пивоваренной отрасли России. 9
1.2. Факторы, влияющие на процесс брожения . 22
2. Экспериментальная часть 63
2.1. Материалы и методы 63
2.1.1.Материалы, используемые в работе 63
2.1.2. Методы, используемые в работе 64
2.2. Результаты и обсуждение 87
2.2.1. Исследования влияния биомассы гриба Pleurotos Ostreatus (вешенка) на процесс брожения. 87
2.2.2. Изучение влияния концентрации биомассы гриба Pleurotos Ostreatus (вешенка) на процесс брожения . 93
2.2.3. Изучение влияния различных препаратов биомассы гриба Pleurotos Ostreatus (вешенка) на процесс брожения. 101
2.2.4. Изучение влияния биомассы гриба Pleurotos Ostreatus (вешенка) на физико- химические, микробиологические показатели и показатели стойкости пива. 109
2.2.5. Разработка технологии производства пива с применением биосорбента. 119
2.2.6. Исследование эффективности погло щения ионов металлов биосорбентом на основе биомассы гриба Pleurotos Ostreatus (вешенка) 121
2.2.7. Исследование возможных механизмов взаимодействий биосорбента на основе биомассы гриба Pleurotos Ostreatus (вешенка) с ионами металлов с применением программных средств. 144
3. Экономическая часть. 171
3.1.Расчет экономической эффективности от применения биосорбента из гриба Pleurotos Ostreatus (вешенка) 171
3.2. Расчет конкурентоспособности пива, производимого с применением биосорбента из гриба Pleurotos Ostreatus (вешенка). 177
Выводы 183
Список литературы
- Факторы, влияющие на процесс брожения
- Методы, используемые в работе
- Изучение влияния концентрации биомассы гриба Pleurotos Ostreatus (вешенка) на процесс брожения
- Расчет конкурентоспособности пива, производимого с применением биосорбента из гриба Pleurotos Ostreatus (вешенка).
Введение к работе
Актуальность
Ситуация, складывающаяся как на
отечественном, так и на мировом рынке пивобезалкогольной
продукции, в настоящий момент, диктует повышенные
требования к конкурентоспособности продукта, а именно
к качеству и к его цене. Для того, чтобы удовлетворять
растущим требованиям потребителя, производители
вкладывают значительные ресурсы в разработку новой
техники и новых технологических приемов, направленных
на интенсификацию различных стадий производства
продукта. Естественно, наибольший эффект можно ожидать
от интенсификации ключевых технологических стадий,
таких, как главное брожение и дображивание, для
приготовления пива.
Для решения наиболее важной из задач этой
стадии - оптимизации процессов превращения отдельных
компонентов пивного сусла и накопления необходимого
количества этанола за максимально короткие сроки -
разрабатываются различные приемы. В их числе -
разработка различных технико-аппаратурных решений,
выбор рас дрожжей с заданными характеристиками,
добавление различных препаратов, в том числе,
интенсифицирующих процесс брожения. Корректировка химического состава сбраживаемой среды, осуществляемая за счет введения сорбентов, в том числе и биологической природы, может стать одним из наиболее действенных методов.
Литературными источниками, а также работами, проводимыми на кафедре «Процессы ферментации и
промышленного биокатализа», доказывается возможность и эффективность применения с этой целью биосорбентов па основе обработанной теми или иными способами различных микробных биомасс («дрожжевые корки», препараты из Spirulina platensis и др.).
Такой подход имеет ряд преимуществ по сравнению
с использованием неорганических и растительных
материалов: снижение затрат, избирательное связывание
нежелательных компонентов сбраживаемой среды,
возможность применения сорбирующих препаратов на
стадии брожения, дополнительные преимущества
(сокращение срока брожения, увеличение накопления этанола и т.п.), отсутствие необходимости в дополнительном оборудовании и дополнительных операциях, именно поэтому исследования возможностей использования новых видов биосорбентов представляет определенный научно-практический интерес.
Цели и задачи исследований
Цель работы - разработка способа интенсификации брожения пива, полученного с применением биосорбента на основе мицелия гриба Pleurotos Ostreatus (вешбнка).
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
провести скрининг применяемых в настоящий момент в пивоварении сорбентов,
доказать сорбционные способности препаратов из гриба вешенка и определить эффективность применения каждого из них на стадии главного брожения пива, и определить оптимальную дозировку биосорбентов,
определить количественные характеристики процесса сорбции для различных металлов,
изучить влияние исследуемого биосорбента на показатели готового пива, в том числе стойкость и содержание диацетила,
разработать технологическую инструкцию производства светлых сортов пива с применением биосорбента
- определить экономическую эффективность от применения
исследуемого биосорбента.
Научная новизна
Впервые проведено исследование эффективности применения биосорбента из мицелия гриба Pleurotos Ostreatus в виде различных его препаратов в технологии пивоварения.
Изучен характер влияния биомассы гриба Pleurotos
Ostreatus на скорость протекания брожения. На основании
проведенных испытаний определены вид препарата, а также оптимальная дозировка испытуемого сорбента, инициирующая сокращение сроков главного брожения и, не оказывающая негативного влияния на показатели качества готового напитка.
На основании сведений о природе основных
металлосвязующих структур исследуемой биомассы, а именно
хитинглюканового и белкового комплексов, высказано
предположение, что именно их ацетильные, карбоксильные, ацетамидные и аминогруппы взаимодействуют с металлами.
Выявлена зависимость степени сорбции биомассой
исследуемого гриба ионов отдельных металлов, таких как:
железо (3+)и медь (2+), относительно исходной концентрации
ионов, а также от продолжительности обработки и от
концентрации биосорбента.
7 Моделирование взаимодействий мономерных веществ,
имитирующих составные части биосорбента, с ионами металлов
* позволило предположить вероятные взаимодействия и
полимерных составляющих биосорбента с некоторыми
металлами.
Практическая ценность
Разработана технология получения светлого пива
высокого качества с применением биомассы гриба вешенка.
Установлены эффективные концентрации сухой и
влажной биомасс, 0,1% и 0,3% соответственно, позволяющие
интенсифицировать процесс брожения. Доказано, что
применение этих добавок в указанных концентрациях позволяет:
сокращать продолжительность главного брожения на одни
сутки, или
при стандартных сроках главного брожения, увеличивать
выход спирта по отношению к контрольным образцам на
35,7% для сухой биомассы, и на 21,41% для влажной.
Экспериментально доказан факт сорбции биомассой исследуемого гриба ионов железа и меди из модельных растворов и из готового пива. Содержание меди в опытных образцах, по отношению к контрольному, снизилось на 70,4% и 63,3% в образцах, сброженных с сухой и влажной биомассой соответственно.
Установлено, что применение стандартных дозировок биосорбента (сухого - 0,1% и влажного - 0,3%) позволяет
* снижать содержание ионов железа на 41,6-98,03% в
зависимости от исходной концентрации. Для исследованного
ряда растворов, с концентрациями от 0,00356 до 0,356 г/дм ,
даны рекомендации но повышению эффективности процесса
сорбции, с помощью подбора вида сорбента, его дозировки и
времени взаимодействия.
Выявлен факт уменьшения образования диацетила в опытных образцах, по сравнению с контрольным на 40-70% в зависимости от способа получения биосорбента.
Разработана технологическая инструкция по
производству пива светлого с применением биосорбента Pleurotos Ostreatus (вешенка).
Использование разработанной технологии позволяет
получать экономический эффект в 738,2 тыс.руб/год для завода
мощностью 700 тыс.дал пива в год за счет сокращения срока
главного брожения и, следовательно, увеличения
производительности бродильного отделения по результатам года.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 2 работы (журнал «Пиво и напитки»,2003, №№1,2) , в которых отражены основные положения диссертации.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка использованной литературы и приложения.
Основное содержание работы изложено на 204 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка и 42 таблицы.
Факторы, влияющие на процесс брожения
Спиртовое брожение сахаросодержащего сусла под действием ферментов дрожжей - это основной процесс бродильных производств. Процесс брожения характеризуется сложными биохимическими и физико-химическими реакциями, приводящими к появлению новых продуктов, а также к значительному изменению веществ, составляющих сусло к моменту начала брожения. Вещества, образующиеся на стадии главного брожения пивоваренных производств, сообщают продукту характерные особенности, влияют на сложение вкуса и букет пива.
Высокая скорость брожения, необходимая в современных производственных условиях, наблюдается только, если есть существенный рост дрожжевых клеток. Различными исследованиями было показано, что скорость потребления Сахаров растущими клетками значительно выше, чем не развивающимися. Поэтому факторы, оказывающие влияние на рост клеток, важны для контроля над процессом брожения.
Факторы, влияющие на ход брожения и качество пива -это и состав сусла, условия внесения дрожжей и аэрация, температура брожения, размер и конфигурация бродильного аппарата и многие другие.
Состав сусла в значительной степени влияет на скорость и степень сбраживания, прирост дрожжей и качество получаемого пива. Основные компоненты сусла, играющие важную роль — это сбраживаемые сахара, ассимилирующийся азот и некоторые факторы роста. Хорошо известно, что последовательность поглощения аминокислот пивоваренными дрожжами влияет на уровень содержания вицинальных дикетонов. Диацетил и 2,3 - пентадион образуются при самопроизвольном окислительном декарбоксилировании а ацетолактата и а-ацето-а-гидроксибутирата, полученного из изолейциново-валинового биосинтетического пути.
Пивоваренные дрожжи в бродящем сусле быстро используют треонин, в то время как изолейцин, лейцин и валин поглощаются ими более медленно после определенного промежутка времени. Кроме того, избыток ацетогидрогидроксикислот наблюдается только на начальной стадии брожения. Активно разрабатываются стратегии преодоления диацетильноЙ проблемы в пивоварении [15].
В пивоварении применяют специальные расы пивных дрожжей. Они должны обладать высокой бродильной актив ностью (способность дрожжей возбуждать спиртовое брожение), флокулирующей способностью (т.е., обеспечивать осветление пива, вызываемое оседанием дрожжей на дно бродильного аппарата), придавать пиву характерный аромат и мягкий вкус.
Известно, что процесс брожения может в некоторых случаях замедляться или даже останавливаться, несмотря на соблюдение всех необходимых для ферментации условий [17]. Спонтанная остановка спиртового брожения сусла до момента утилизации требуемого количества Сахаров является одной из серьёзных проблем бродильных производств. Возникновение недоброда при производстве пива может привести к изменению вкуса напитка и, возможно, к снижению его биологической стойкости, а в спиртовых производствах - к существенным экономическим потерям. Подобные проблемы возникают и в виноделии, вызывая снижение качества, появление необратимых пороков и даже полную потерю продукта.
Преждевременная остановка спиртового брожения может происходить по различным причинам, факторами, вызывающими появление недобродов, могут оказаться [18]: -условия брожения (недостаток кислорода, повышенная или пониженная температура брожения); -исходный состав сусла (содержание сбраживаемых Сахаров, возможный недостаток витаминов и азотистых веществ); -присутствие компонентов среды, отрицательно действующих на дрожжи (тяжелые металлы, остатки пестицидов и т.д.); -технологические приемы при переработке сырья и полупродуктов; -накопление в сбраживаемой среде продуктов метаболизма (этиловый спирт, углекислый газ, жирные кислоты и др.).
Нормально протекающее спиртовое брожение само по себе является прогрессивно замедляющимся процессом. Скорость брожения снижается, во-первых, в результате уменьшения в среде кислорода и основных элементов питания; во-вторых, из-за накопления веществ, отрицательно влияющих на физиологическую и биохимическую активность дрожжей. Наиболее существенно, среди таких веществ, влияет этиловый спирт - основной продукт брожения [18,19,20, 21, 22]. Таким образом, при спиртовом брожении различные факторы воздействуют на активность микроорганизмов совместно с постоянно накапливающимся этиловым спиртом. Снижение интенсивности брожения начинается при низких концентрациях этанола и продолжается почти до полной остановки брожения.
Методы, используемые в работе
Данный метод позволяет определить содержание спирта в пиве с погрешностью 0,02%об. [67]. Метод основан на окислении спирта дихроматом калия в присутствии азотной кислоты до уксусной кислоты. Избыток дихромата оттитровывают после добавления йодида калия раствором тиосульфата натрия. Приборы. Перегонная установка: колба Эрленмейера 500 мл с отметкой 300 мл- 1 шт (приемная); Колба Эрленмейера L00 мл - 1 шт; Пипетки Мора 10 и 25 мл - по 1 шт; Мерный цилиндр 25 мл - 1 шт; Бюретка 50 мл с ценой деления 0,1мл.
Реактивы Хромат калия: 67,445 г К2Сг04 растворяют в воде и доводят до 1 л. Кислота азотная концентрированная Иодид калия: 300 г KJ растворяют в воде добавляют 100 мл Ш раствора NaOH и доводят до 1л. Тиосульфат натрия: 86,194 г Na2S203x5H20 растворяют в воде, добавляют 100 мл 1Н раствора NaOH и доводят до 1 л. Раствор крахмала: 10 г растворенного в небольшом количестве воды крахмала вводят порциями в 500 мл кипящей воды и кипятя пока раствор не станет прозрачным, после охлаждения добавляют 500 мл воды, в которой предварительно растворяют 20 г KJ и 10 мл 1Н раствора NaOH.
Техника определения 1. Включают плитку. 2. В приемную колбу помещают 10 мл раствора хромата калия и 25 мл концентрированной азотной кислоты. 3. В перегонную колбу наливают 3 мл воды и 10 мл исследуемой жидкости (если спирта накоплено менее 1,2 %об.) или 12 мл Н20 и 1 мл пива (если спирта накоплено более 1,2 %об.). 4. При введении исследуемой жидкости пипетка должна быть погружена в воду. Конец перегонной трубки погружают в приемную жидкость. 5. Жидкость должна закипеть через 30 с и еще через 30 с появятся первые капли дистиллята. Через 3-4 мин вынимают трубку из дистиллята и промывают ее водой. Дистиллят и смывные воды объединяют и доводят до 300 мл. 6. К дистилляту добавляют 10 мл раствора KJ и титруют раствором тиосульфата натрия до изменения окраски от коричневого до желтоватого 7. Добавляют 10 мл крахмала и титруют до светло-голубой окраски. Содержание спирта определяется по формуле: Х=15,21-0,507 а, где X - количество спирта в образце, %об. 15,21 -максимально определяемое количество спирта, соответствующее 0 мл раствора Na2S203 , %, %об. 0,507 - изменение концентрации спирта, соответствующее 1 мл 0,1 Н раствора Na2S203, % об. а - количество 0,1 Н раствора Na2S203,x5 Н20, пошедшее на титрование , мл.
Если для анализа вместо 1 мл берут 10 мл или меньше, то результат делят на кратность увеличения, рекомендуется работать в области концентрации спирта от 0 до 14% об., когда на титрование расходуется от 30 до 2,4 мл Na2S2Cb .
Дистилляционный метод. Измерения проводились по ГОСТ 12787-81 п.1. Метод получения пищевого мицелия гриба Вешенка. Пищевая добавка - мицелий пищевого гриба Pleurotos Ostreatus (вешенка) сухой пищевой (ТУ №9291-001-29886209 93, от 01.01.94) вырабатывается с соблюдением санитарных правил для предприятий пищеконцентратной промышленности. Технология производства данного продукта разработана ООО «Грибные технологии - Фунгитек» и основана на глубинном культивировании грибной биомассы пищевого гриба Вешенка с использованием штаммов собственной селекции, запатентованных и задепонированиых во Всероссийской коллекции производственных микроорганизмов. Продукт детально исследован в институте питания РАМН и сертифицирован Госсанэпиднадзором России как пищевой сорбент. Исследовались препараты, полученные следующими способами: - препарат 1 - сухая биомасса, получена щадящей сушкой при 20-23С, сохраняющей пористую структуру сорбента; препарат 2 - влажная биомасса, получена по технологии препарата 1, исключая стадию сушки; препарат 3 -хитинглюкановый комплекс, полученный из препарата 1, прошедшего многостадийный водный и щелочной гидролиз,
Изучение влияния концентрации биомассы гриба Pleurotos Ostreatus (вешенка) на процесс брожения
В литературе встречаются данные об эффективном использовании биомассы гриба Pleurotos ostreatus в качестве биосорбента в модельных растворах в количествах до 1г на 100 мл раствора [65, 72]. Для разработки технологических рекомендаций и инструкций нам представлялось очень важным установить эффективные концентрации данного препарата для сбраживания пивного сусла. Таким образом, следующим этапом в работе решено было выявить дозировку данного препарата, интенсифицирующую процесс брожения.
Ниже приведены результаты эксперимента по исследованию степени влияния препарата 1 в зависимости от его концентрации в сусле. Препарат 1 вносился в сусло в концентрациях: 0,05; 0,1; 0,3; 0,5; 1,0 %масс/об., см. таблицу 15. По полученным результатам можно сделать вывод, что при концентрации от 0,05%до 0,1% исследуемая величина растет, начиная от 0,1% и выше - убывает. Динамика накопления спирта в процессе главного брожения в зависимости от концентраций вносимого биосорбента показана на рисунке 7. Изменение интенсивности накопления этанола в зависимости от концентрации биосорбента представлено на рисунке 8.
По всей видимости, исследуемый препарат сорбирует на своей поверхности питательные вещества, либо способен сорбировать этанол, чем и вызвано некоторое снижение эффективности применения сорбента при более высоких концентрациях
В ходе изысканий наиболее эффективной формы биомассы вешенки, оказывающей наибольшее стимулирующее действие на процесс накопления спирта, исследовали также препарат 2, подвергшийся наименьшей тепловой обработке, по сравнению с препаратом 1. В следующем опыте указанные препараты вносили в сусло в концентрациях 0,05-1,0 % .
Кроме того, представляется интересным выяснить, на каком этапе брожения препарат начинает оказывать свое действие, и какое сокращение в сроках брожения может быть определено, для чего величина накапливаемого спирта контролировалась ежедневно. Результаты эксперимента представлены в таблице 6. Динамика накопления спирта представлена на рисунке 9. В ходе эксперимента подтвердились данные о способности биосорбента на основе биомассы гриба вешенка оказывать положительное влияние на процесс накопления этанола в пиве. Установлено, что количество спирта, накопленное в контрольном образце к моменту окончания главного брожения (на 7-е сутки), накапливается в пиве с :
Таким образом, наиболее интенсивно сбраживается сусло с добавлением сухой биомассы в количестве - 0,1%масс, менее интенсивно (но среди других концентраций того же препарата -максимально) с добавлением 0,3%масс. влажной биомассы. Интенсификация процесса брожения происходит за счет более быстрого (на 1-2 суток) сбраживания.
Полученные результаты позволяют сделать некоторые предположения относительно механизма интенсификации брожения. Итак, сам биосорбент в процессе брожения не участвует и в ферментативные реакции не вступает, поскольку является мертвой грибной биомассой. Кроме того, не может служить источником питательных веществ для дрожжей, т.к. в литературе неоднократно указывается на сложность разделения его на отдельные компоненты (необходимость создания жестких условий: рН, высокой температуры итд) [102,103]. Не меняется его состав и структура и в присутствии различных ферментов, что отмечается, частности, при изучении его свойств как энтеросорбента [104]. Т.е. биосорбент на основе гриба Pleurotos ostreatus является неактивным участником процесса брожения. Мьт предполагаем, что интенсификация брожения происходит по следующим направлениям:
1) физическое взаимодействие токсичных компонентов с биосорбентом, связанное с низкой плотностью продукта и малыми размерами отдельных частиц (1-2мм в диаметре), чем обеспечивается наличие большой поверхностной площади;
2) метаболически неактивное связывание токсичных компонентов отдельными реакционноспособными группировками, такими как ацетоаминные группы хитина, структурные полисахариды, амино-, карбокси- и гидроксильные группы белков.
Необходимо отметить, что простое наличие потенциально реакционноспособных групп еще не дает гарантии их участия в сорбции, однако литературные данные и наши исследования делают такие предположения весьма реалистичными.
Расчет конкурентоспособности пива, производимого с применением биосорбента из гриба Pleurotos Ostreatus (вешенка).
Причем, как наблюдалось и ранее, сухая биомасса показала себя, как более активный сорбирующий элемент, чем влажная, лишь при трехкратном увеличении сорбентов в пересчете на сухое вещество уровни поглотительной активности стали более близки для этих двух видов сорбентов. Полученные данные во многом объясняют факты активизации брожения пивного сусла в присутствии сухого биосорбента в большей степени, чем влажного, по Несомненно, на основании вышеописанных исследований, можно заявить о сухой биомассе гриба Pleurotos Ostreatus, как о более активном, и более эффективном сорбенте. Конечно, присутствие в сырье многих элементов изменит уровень поглощения отдельных ионов, однако, можно уверенно предполагать, что, и в такой многокомпонентной системе, как пиво сохранятся показанные выше зависимости; а необходимое время обработки, вид и эффективные дозировки сорбента нужно будет подбирать исходя сравнению с контрольным образцом. из данных о составе исходного сырья.
Полученные данные согласуются с данными зарубежных исследователей о превышении сорбционной способности мертвой биомассы над живой. Так, по большинству технологических параметров, таких как, поглотительная способность, биосорбционная селективность, простота удаления, эквивалентность существующим обработкам, экономичность и интенсивность разрушающих условий операций мертвая (сухая) биомасса оказывается предпочтительнее для использования в качестве сорбента в пищевой промышленности.
Исследование влияния биомассы вешенки на содержание ионов в готовом пиве методом инверсионной вольтамперометрии.
Согласно данным, имеющимся в литературе, токсическое влияние меди при ее содержании в концентрации 1,0-1,4 мМ вызывает у клеток резкое замедление целого ряда жизненно важных процессов: дыхательной активности, синтеза белков, размножения. Предельно допустимое содержание этого металла в готовом пиве, согласно требованиям СанПиН 2.3.2.1078-01, составляет не более 5 мг/дм . Содержание ионов различных металлов контролировалось в готовом пиве: в контрольном образце, пиве, сброженном с препаратами 1 и 2, без дополнительного внесения ионов. Результаты, полученные в ходе исследований, представлены в таблице 38. Обнаруженное снижение содержания ионов меди, по сравнению с контрольным, составило: в образце, сброженном с препаратом 1 - 70,4% в образце, сброженном с препаратом 2 - 63,3%.
Основываясь на приведенных данных, можно сделать вывод о том, что данный биосорбент может применяться как для сырья с повышенным содержанием ионов металлов, так и для сырья, с низким исходным содержанием ионов металлов. И в том и в другом случае биомасса гриба вешенки не ухудшает органолептических и физико-химических показателей, и позволяет сократить сроки главного брожения, и, кроме того, в случае с загрязненным сырьем позволяет удалить из среды нежелательные компоненты. Имеются сведения, что сорбция металлов определяется, в основном, наличием в клеточной стенке белка и/или полисахаридов. На основании этого можно с уверенностью предположить, что основными металлосвязующими структурами исследуемой биомассы, стали именно хитинглюкановый и белковый комплексы [94]. По всей видимости, именно их ацетильные, карбоксильные, ацетамидные и аминные группы взаимодействуют с металлами, присутствующими в среде. Таким образом, факт экспериментально доказанной сорбции ионов железа и меди позволяет сделать следующие предположения.
Так как катионы Зё-металлов образуют с аминогруппами устойчивые комплексонаты, и максимальную устойчивость среди них имеет комплекс меди, а устойчивость остальных уменьшается в следующем порядке: Cu Ni Zn Co Fe Mn Cr V, то, с большой долей вероятности следует ожидать и сорбцию металлов, находящихся в этом ряду между медью и железом, а именно: никеля, цинка и кобальта. Получить дополнительные доказательства верности сделанных предположений мы попытались, смоделировав указанные взаимодействия, в следующей части работы.
