Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 10
1.1. Перспективное для производства пива несоложеное сырьё Непала 10
1.1.1. Основное зерновое сырьё Непала-рис 10
1.1.1.1. Культура риса, условия и способы его возделывания И
1.1.1.2. Строение зерна риса 14
1.1.1.3. Химический состав риса 16
1.1.1.4. Применение риса в пивоварении .20
1.1.2. Другие перспективные злаковые культуры 26
1.1.2.1. Кукуруза 26
1.1.2.2. Пшеница 28
1.1.2.3. Ячмень 30
1.1.2.4. Сорго 35
1.2. Хмель 38
1.3. Влияние состава сусла на процесс брожения 40
1.3.1. Изменение углеводного состава затора при затирании 40
1.3.2. Изменение состава белковых веществ затора 42
1.4. Применение ферментных препаратов в производстве пива 47
1.4.1. Ферменты и ферментные препараты - общая характеристика 47
1.4.2. Требования к ферментным препаратам, применяемым в пивоваренной промышленности 52
1.4.3. Использование ферментных препаратов при затирании 53
1.4.4. Применение ферментных препаратов на других стадиях пивоварения 58
1.5. Дрожжи - возбудители брожения 61
1.6. Способы повышения стойкости пива
1.7. Минипивзаводы и перспективы их развития в современной экономике стран Юго-Восточной Азии .70
2. Экспериментальная часть 74
2.1. Материалы и методы исследований 74
2.1.1. Материалы исследований 74
2.1.2. Методы исследования 76
2.1.2.1. Определение влажности зерна .76
2.1.2.2. Определение пленчатости зерна 76
2.1.2.3. Определение крахмала методом Эверса 76
2.1.2.4. Определение экстрактивности зерна 77
2.1.2.5. Определение содержания белковых веществ 77
2.1.2.6. Способ приготовления пивного сусла 78
2.1.2.7. Определение сухих веществ рефрактрометрическим методом 79
2.1.2.8. Определение продолжительности осахаривания 79
2.1.2.9. Определение цветности 79
2.1.2.10. Определение титруемой кислотности 80
2.1.2.11. Определение вязкости вискозиметром Оствальда 80
2.1.2.12. Определение аминного азота медным способом 80
2.1.2.13. Определение редуцирующих Сахаров 81
2.1.2.14. Способ приготовления пива в лабораторных условиях 82
2.1.2.15. Способ выделения некрахмальных полисахаридов риса 82
2.1.2.16. Определение содержания действительного экстракта и этилового спирта в пиве 83
2.1.2.17. Определение степени сбраживания 84
2.1.2.18. Определение общих полифенольных веществ по методу Фолина 84 2.2. Результаты экспериментов и их обсуждение 85
2.2.1. Исследование влияния различных количеств нешелушеного и шлифованного риса на качество пивного сусла 85
2.2.2. Результаты исследования сусла, полученного при применении ферментных препаратов и большого кол-ва несоложеного риса 87
2.2.3. Исследование кинетики ферментативного гидролиза некрахмальных полисахаридов риса 92
2.2.4. Разработка режима затирания для получения пивного сусла с использованием целловиридина Г20х 99
2.2.5. Создание мультиэнзимной композиции (МЭК) 104
2.2.6. Приготовление пива с использованием МЭК ПО
2.2.7. Повышение стойкости пива 112
3. Общие выводы 113
Список литературы 114
- Культура риса, условия и способы его возделывания
- Изменение углеводного состава затора при затирании
- Определение экстрактивности зерна
- Исследование кинетики ферментативного гидролиза некрахмальных полисахаридов риса
Культура риса, условия и способы его возделывания
Рис является самым распространенным видом сырья после пшеницы, и основным видом питания более чем 60 % населения планеты. Рис выращивают на 145 млн. гектарах земли. Он составляет более 22 % рациона человека в мире [105]. Для южных тропических стран, как например, Китая, Непала, Индии, Таиланда рис - главная пищевая культура. Кроме этого рис служит лучшим средством против распространенных в этих странах желудочных заболеваний. Рисовый отвар известен как лекарственное средство [64, 122, 131].
История культуры риса связана с самым ранним развитием человечества. В Индии культура риса была известна за 2 тысячи лет до н.э., откуда рис распространился на восток в Китай, а затем на запад в Персию и Месопотамию.
Урожаи риса в южных странах Азии составляют 16 - 23, а в Японии - 56 ц/га [32, 147]. Культура риса, условия и способы его возделывания Рис относится к злаку Orysaea L. и к роду Oryza. Злак Orysaea имеет метелку с одноцветковыми колосками и зерновку с маленьким зародышем. Несмотря на большое видовое многообразие, в культуре возделываются два основные вида: Orysaea Sativa и Orysaea glaberrima [105]. Но существуют и дикие виды, например, Zizania Latirolia (Манчурианский дикий рис), Z. Aquatica (североамериканский сорт, растущий в озерах и речках) и другие [107].
Рис является травянистым однолетним растением, требующим теплого климата и большого количества влаги. Высота рисовой культуры, с длинными тонкими листьями, составляет 0,65- 2,0 м. Цветочная головка риса дает от 50 до 300 цветков. Для роста рисовой культуры необходимо теплая температура и рН в диапазоне 5,5-8,0 [130]. У риса мочковатая корневая система, представлена двумя типами корней - главным и придаточным. На протяжении вегетации риса число корней может достигать 200 на одно растение. Стебель у риса обычно зеленый, прямостоящий, его длина может достигать до 1 - 2 м; у глубоководных форм риса, возделываемых в затопляемых водоемах, - до 4 - 5 м. Лист растения, который служит для усвоения углекислоты из воздуха и транспирирова-ния воды, состоит из влагалища, листовой пластинки, язычка и двух ушков. Число листьев на растении соответствует числу узлов на соломине. Верхний конец стебля заканчивается соцветием - метелкой. Размеры метелки и число зерен в ней зависит от сорта и условий выращивания: плодородия почвы, снабжения водой, наличия питательных элементов, густоты стояния. Длина метелки обычно не превышает 20 - 25 см, а количество колосков на ней составляет от 80 до 200 -250. Цветки у риса сосредоточены на колосках и они обоеполые [64].
Соцветие - метелка. Она состоит из главной оси, сильноребристой, с разветвлениями в виде неправильных мутовок. На каждой конечной веточке расположено несколько колосков. Колоски одноцветковые. Цветковые чешуи крупные, широкие, плотно прилегают к зерну при созревании, срастаясь с ним лишь в нескольких местах.
Разновидности риса различаются по следующим важнейшим признакам: характеру верхушки цветковых чешуи (прямые или загнутые); остистости (наличию или отсутствию остей); окраске цветковых чешуи (весьма разнообразной и даже двуцветной), окраске остей (она иногда отличается от окраски несущих их цветковых чешуи); окраске голой зерновки (чаще белая, иногда более темных окрасок - до темно-коричневой).
Рис - типичный представитель гидрофитов, способный нормально развиваться на периодически затапливаемых местах.
Способы возделывания риса различают по водному режиму и агротехническим приемам: культура риса с затоплением, культура суходольного риса, культура риса с периодическим орошением.
Полив риса затоплением - наиболее распространенный способ орошения риса и легче других способов поддается механизации и автоматизации.
В азиатских странах чаще всего рис возделывают на выпадающих осадках, выровненные площадки затапливаются, а вся излишняя вода спускается в низлежащие террасы. Значительно реже применяется искусственное орошение с подачей воды по каналам из рек, озер или специально устроенных водоемов.
Вода необходима для фотосинтеза и для перемещения элементов минерального питания, усваиваемых корневой системой, в надземные части растения. Дефицит воды ухудшает условия жизнедеятельности тканей и приводит к снижению продуктивности риса. Оптимальная температура прорастания семян 30 - 34 С, продолжительность 2-3 суток. Рост и развитие молодого растения зависит от глубины слоя воды и ее температуры на поле, которая оптимально должна быть 25 - 30 С.
Большую ценность представляют гибридные зерновки, полученные в результате искусственного опыления.
Форма зерновки риса чрезвычайно разнообразна. Например, индийские сорта имеют длинные тонкие зерна, у которых длина в три и более раз превышает ширину, а японские - короткие толстые зерновки с отношением длины к ширине от 1,4 до 2,9. Также существуют округлые, овальные, прямые и искривленные формы зерновки. Размер зерновки колеблется по длине от 4 до 10 мм и более, а по ширине от 1,2 до 3,5 мм. По окраске зерновка бывает от серебристо-белой до темно-коричневой [34,105].
Рис является самоопыляющейся культурой. После оплодотворения завязи начинается развитие зерна, накопление в нем питательных веществ и созревание. Различают 4 фазы спелости зерна: молочную, хрящеватую, восковую и полную [32].
В Южной Азии насчитывается более 5 тысяч сортов (только в Индии около 4 тысяч). Сорта риса различны не только по вегетационному периоду, но и по консистенции зерновки, технологическим качествам зерна, по размерам колосков и зерновок, а также по вкусовым достоинствам. У сорта 1R8 - вегетативный период 120 - 130 дней. Хорошо отзывающиеся на высокие дозы удобрений сорта, такие, как Тайнан 3, Тайхун 65 и Фианунг 242. Тейчунг нейтив I относится к подвиду indica. Высота растений этого сорта 85-95 см, они не полегают, хорошо кустятся, вегетационный период равен 120 дням. Сорт включен в программу гибридизации с местными индийскими сортами риса.
Изменение углеводного состава затора при затирании
Получение сусла из солода высокого качества не требует дополнительного введения ферментных препаратов, потому чго в оишчие от спиртового производства, в пивоварении не стремятся достичь максимально возможной
В начале XIX века русский ученый Кирхгоф впервые получил жидкий ферментный препарат амилазы из проросшего ячменя и описал все основные черты ферментативного процесса.
По современной классификации все ферменты делятся на шесть основные классов по типу катализируемой реакции: оксидоредуктазы, трансферазы, гидралазы, лиазы, изомеразы и лигазы (синтетазы). Большинство промышленно важных ферментов относятся к классу гидролаз [19]. и ингмбитппои Кяжтгьга Лепмент пбпяляет лптимя пкттой темиелятл/лпй ПЛИ КО торой наблюдается наиболее интенсивное его действие. Также каждый фермент проявляет свое действие в довольно узких пределах значений концентрации водородных ионов (рН). Оптимум действия амилолитических ферментных препаратов находится при рН 5,4 - 6,0, протеолитических - при 6,0 - 9,5, цитолити-ческих - при 3,0 - 5,6. На скорость ферментативной реакции влияет концентрация субстрата. Скорость ферментативной реакции при оптимальных концентрациях субстрата во многих случаях изменяется прямо пропорционально кон ттатіт
Qfigrrg некоторых химических ветттеств. Активаторами являются следующие ионы: натрия, калия, кальция, цинка, меди, железа, кобальта, хлора, марганца, а ингибитопами - соли тяжелых металлов (свинца, сеоебга. DTVTH. вольсЬоама). а
Ферментные препараты классифицируют по основному компоненту в смеси ферментов, присутствующих в данном препарате: амилолитические, про 50 теолитические, липолитические и т.д. Название ферментного препарата начинается с сокращенного названия основного фермента, к которому добавляют видовое название продуцента и заканчивают название суффиксом ления пива. В нормально вызревшем зепне активность не всех фспментов ясно выпажена. R более или менее активном состоянии находятся гЬепментные сис-темы, связанные с процессом дыхания, без которого зерно, как живой организм, существовать не может. При созревании зерна активность ферментов сначала резко возрастает, а затем начинает снижаться и достигает какой-то определенной величины, характерной для уже созревшего зерна.
По мнению Баха и Опарина во время созревания зерна протекают одно временно два процесса: ооразование ферментов и переход их в неакіивную исиилидимыд с начале ьизрсссігилл, нииіс гте положение что ппевпатттение в зимогены связано с адсорбцией е ментов на обпазованиях клеток, имеюттшх в основном коллоилтто. В результате этого гидролизующая способность их понижается и начинает усиливаться синтезирующая, поэтому одни и те же ферменты в растворенном состоянии обладают одним действием, а в адсорбированном - другим [39, 40].
Во время проращивания зерна происходит образование новых и активизация существующих определенных груші ферментов, под влиянием которых достигается неооходимое растворение резервных веществ зерна и создание возможность ттля активного действия протеолитических и амилолитических (Ъепментов. В этом ппопессе ппоисхолит пастпепление высокомолею/ляпных белков на низкомолекулярные, из которых зародыш синтезирует новые соединения.
Ферментативный гидролиз сложных углеводов и белков при сушке солода проявляется сильнее, чем при солодоращении. При затирании происходит растворение части веществ, способных переходить в раствор без участия ферментов, и набухание веществ, находящихся в коллоидном состоянии, стальные части гидролизуются до полного осахарива В условиях современного крупнотоннажного пноизвоттства наибольшую пепспективу имеют гЬепменты микгюогпаничмов_ R пивовялении микробные ферментные препараты применяют на различных стадиях процесса. Больше всего их используют при затирании, при переработке больших количеств несоложеного материала или плохо растворенного солода. В ходе брожения, добра-живания и перед розливом пива ферментные препараты используют для обеспечения необходимой степени сбраживания, улучшения фильтрования, повышения коллоидной стойкости пива, снижения концентрации растворенною енмснтныс nps пяляты. Из них выпускаются скыттте 70 (Ьепментных ппепяоятов бя.ктелия.льно-го, грибного и растительного происхождения специально для переработки 30-100 % несоложеного сырья в производстве пива [134].
Исследование по применению ферментных препаратов на стадии получения пивного сусла с несоложеными материалами, стабилизации пива проводились на протяжении многих лет в США, Великобритании, Франции, Голлан ттт дии, ьолгарии, лтюнии, Швейцарии, а также в странах классического пивоварения
Определение экстрактивности зерна
Проведенные в лаборатории опыты показали возможность использования ферментных препаратов цитолитического действия для получения пивного сусла при переработке большого количества нешелушеного и шлифованного риса, используя их в качестве несоложеною сырья. Как показали предыдущие исследования лучше всего на затор, состоящий из солода и несоложеного риса, казателей пивного сл/сла необходимо было разработать оптимальный нежим затирания зерновой массы, учитывая воздействия (Ьепментов солола и препарата. На процессы, происходящие при приготовлении пивного сусла, можно повлиять, изменяя температуру и продолжительность разных стадий затирания, и тем самым регулировать показатели пивного сусла. Как было установлено нами ранее, Целловиридин Г20х наиболее эффективно действует на НИР при температуре 45-50С и при активной кислотности 5,0-6,0; поэтому при проведении затирания с нешелушеным рисом неї необходимости подкислять затор. но при этом очень важно продолжительное время поддерживать оптимальную
С целью определения оптимального режима затирания готовили заторы с заменой 15% солода нешелушеным и 25% шлифованным рисом. Дозировка ферментного препарата составляла 0,1 % к массе несоложеного зернового сырья (как было установлено в разделе 2.2.2.).
Контрольное сусло готовили с использованием 15% несоложеного ячменя и 85% солода без применения ферментного препарата. Опытное сусло готовили по различным перечисленным далее режимам и определяли их физико-химические показатели.
Солод, несоложеный рис и ферментный препарат Целловири-дин Г20х затирали с водой в течение І ч при температуре 50С. Медленно (1С в 1 мин) подогревали затор и выдерживали последовательно в течение JU мин
Разваривание густой части затора и клейстеризацию крахмала, оставшихся после отбора жидкой части, осуществляли только после окончания действия имеющихся в заторе ферментов (ферментов солода и внесенных ферментных препаратов) кипячением в течение 30 мин. После разваривания густую часть затора соединяли с ранее отобранной жидкой частью для воздействия ферментов, сохранившихся в жидкой части затора.
Затем затор выдерживали в течение 20 — 30 мин при температуре 70С до полного осахаривания. Режим 2. Несоложеный рис (15% нешелушеного и 25% шлифованного), 10% солода от общей массы зернопродуктов и всё количество ферментного препарата Целловиридина Г20х затирали с 50% от общего количества воды, расходуемой на главный налив, при температуре 50С в течение 1ч. Добавляли оставшиеся 50% воды и дрооленый солод, оатор последовательно выдерживали Режим 3. На начальных стадиях этот режим аналогичен режиму 2, но после выдержки затора при температуре 70" С его подогревали до 75UC, выдерживали до полного осахаривания в течение 20 - 30 мин. Режим 4. Этот режим часового цитолиза несоложеной части затора аналогичен режимам 2 и 3. Затем медленно (1С в мин) подогревали затор до температуры 70 С, доводили до кипения и кипятили в течение 30 мин. После чего добавляли оставшуюся воду и солод. Последовательно выдерживали затор в Режим 5. Проводили подготовку несоложеной части затора аналогично режиму 4. В момент закипания первой части затора смешивали оставшуюся воду и солод и вьщерживали эту часть в течение 30 мин при температуре 50С. Далее объединяли прокшшченую и солодовую части. ииольдиваїсльли сшдсрлшсали iaiup ІЗ ІСЧСИИС JU Режим 6. В отличие от режима 2 выдержку несоложеной части затора проводили при температуре 50иС в течение 90 мин. Режим 7. Отличается от режима 2 более продолжительной (на 30 мин) выдержкой общего затора при температуре 50С. В опытных и контрольных образцах сусла определяли концентрацию сухих веществ, рН, кислотность, вязкость, содержание редуцирующих Сахаров, и аминного азота. Полученные результаты представлены в таблице 5.
На первом этапе определения оптимального режима затирания проводили совместное затирание всего сырья по режиму, подооно предлагаемому тех использованием с епмєнтного ппепапата елловипияина Г20х.
Как видно из таблицы 5. сусло, полученное по режиму 2, по своим физико-химическим показателям, кроме содержания аминного азота, приближалось к контрольному.
Отдельная обработка несоложеного сырья ферментным препаратом и ферментами солода, внесенного в количестве 10% от массы затираемого сырья, с проведением 30-ти минутной белковой паузы позволила улучшить вязкость.
Сусло, приготовленное по режиму 5, по всем показателям сильно не отличалось от сусла, приготовленного по режиму 4, что свидетельствует о том, что после 30-ти минутной выдержки затора при температуре 70С основные биохимические процессы уже прошли. Кипячение затора с целью улучшения
Ronnoc об использовании того или иного пежимя необходимо петттять. учитывая качество перерабатываемого сырья. При хорошем качестве сырья может быть успешно использован одноотворочныи совместный режим затирания (режим 2). Для дальнейших исследований нами был выбран режим 2 как наиболее простой и легко осуществимый в производственных условиях.
Таким образом, результаты исследований показали возможность получить пивное сусло нормального качественного состава при затирании 60% солода, 15% нешелушеного и 25% шлифованного риса с использованием ферментного препарата Целловиридина Г20х.
Исследование кинетики ферментативного гидролиза некрахмальных полисахаридов риса
С целью обеспечения пивного сусла, приготовленного из большого количества несоложеного сырья, всеми необходимыми для брожения компонентами и для повышения выхода экстракта необходимо создать мультиэнзимную композицию (МЭК). Многими исследованиями доказана целесообразность и перспективность использования комплекса различных ферментных препаратов. обеспечения высокой степени использования белковых веществ сырья с одновременным накоплением достаточного количества низкомолекулярных продуктов протеолиза необходимо также наличие в МЭК про-теазы.
В последнее время уделяется особое внимание цитолитическим ферментам при создании МЭК. Они отличаются между собой по степени очистки и активности. Ферментные препараты, такие как Ксилоглюканофоетидин П10Х, Целлоконингин П.І Ох и другие, обладают эндо- и экзо-р-глюканазной, гемицел-люлазнои, ксиланазнои активностями LOZT- І гри перераоотке нешелушеного происхождения осуществляют более глубокий гидролиз5 чем бактериальные. Они дешевы и содержат значительные количества сопутствующих гидролитических ферментов, таких как амилазы, протеазы, пектиназы и гемицеллюлазы, что также важно для приготовления пива [19].
На основании результатов исследовании (разделы 2.2.1. и 2.2.2.) был выбран комплексный ферментный препарат Целловиридин Г20х, содержащий целлюлолишчеекие ферменты и гемице ллю лазу. В сосіав биокагали ти ческою комплекса входят. эндо-1,4-р-глкжаназа, целлобиогидролаза, целлобиаза, эндо-1,3-1,4-р-глюканаза, 1,3-р-глюканаза, ксиланаза [42].
Проведенные исследования показали, что препарат Целловиридин Г20Х активно разрушает клегочные стенки эндосперма зерна риса и, і идролизуя некрахмальные полисахариды, значительно снижает вязкость сусла взкость и что особенно важно ля промышленности способствует повышению выхода экстракта. Таким образом, позволяя получить сусло хорошего качества при замене солода большим количеством несоложеного риса. Но это сусло имело более низкое содержание аминного азота, чем контроль.
Для достижения уровня контроля по содержанию аминного азота и другим показателям, необходимо одновременно вносить в затор ферментный препарат протеолитического действия, обладающий протеазной, пептидазной и а-амилазной активностью. На основании изучения свойств отдельных очищенных ферментов, для совместного действия с Целловиридином Г20х был выбран
Поомальт разрушает крахмальные зерна и гидролизует белки, высвобождая питательные вещества для дрожжей и стимулируя их активность [80]. Поомальт сохраняет свою активность в интервале температур от 40 до 70С, что совпадает с температурным оптимумом действия Целовиридина Г20х.
Таким образом, для создания МЭК нами были выбраны два ферментных препарата: Целловиридин Г20х и Промальт. Очевидно, что совместное использование этих двух: препаратов даст большой эффект. получения сл/сла с максимально возможным использованием риса. Для чего затор готовили с использованием 15% нешелушеного, 25% шлифованного риса и 60% ячменного солода, добавляли ферментный препарат Целловиридин Г20х в различных дозировках (от 0,01 до 0,1% к массе несоложеного сырья). Контро 106 лем служило сусло, приготовленное из 85% солода и 15% ячменя. Результаты представлены в таблице 6.
Основываясь на показателях сусла, таких как вязкость, содержание редуцирующих веществ, применение биокатализатора Целловиридина 120х в количестве 0,05% к массе несоложеного сырья улучшает качество сусла (кроме показателя аминного азота), даже по сравнению с контрольным, полученным из Полученное сусло кипятили с хмелем как минимум в течение 1 ч. Хмель вносили с учетом нормы горьких веществ в горячем сусле и содержание а-кислот в хмеле
