Содержание к диссертации
Введение
1. Информационные исследования по применению несоложеных материалов и ферментных препаратов для производства пива 8
1.1. Особенности структуры и химического состава зерновых культур, перерабатываемых в пивоварении 9
1Л Л, Ячмень (Hordeum vulgare) 10
1.1.2. Рис (OryzasativaL.) 13
1.1.3. Пшеница (TriticumL.) 15
1Л .4.. Кукуруза (Zea mays L.) 16
1.1.5. Овес (Avena L.) r... 17
1.1.6. Просо (Panicum miliaceum L.) 18
1.1.7. Сорго (Sorghum) 18
1.1.8. Сахаристые продукты 19
1.2. Ферментативный гидролиз пивоваренного сырья 20
1.2.1. Ферментативный гидролиз полисахаридов клеточных стенок 21
1.2.2. Ферментативный гидролиз крахмала и олигосахаридов 24
1.2.3. Ферментативный гидролиз белков . 32
1.2.4.'Ферментативный гидролиз липидов 37
1.2.5. Ферментативный гидролиз фосфатов 38
1.3. Отличия между химическим составом ячменя и солода 38
1.4. Ферменты солода 44
1.5. Использование ферментных препаратов в производстве пива 50
1.6. Цель работы и постановка задачи исследований 61
2. Экспериментальные исследования 63
2.1. Характеристика исследуемых материалов 63
2.2. Методы исследований 66
2.2.1. Методы определения активности ферментных препаратов 66
2.2.2. Методы определения физико-химических показателей солода. 67
2.2.3. Методы определения физико-химических показателей несоложеных материалов 68
2.2.4. Методы определения физико-химических показателей хмеля и хмелевых препаратов 69
2.2.5. Методы определения физико-химических показателей сусла... 69
2.2.6. Определения углеводного состава сусла методом газожидкостной хроматографии высокой точности HPLC (ІМ) 70
2.2.7. Методы определения физико-химических показателей пива... 73
2.2.8. Методы контроля дрожжей 73
2.3. Исследования по определению оптимальных доз ферментных препаратов для приготовления пива с высоким содержанием несоложеного материала-ячменя 74
2.3.1,Оптимизация количества вносимого ферментного препарата «р-глюканаза 200L» и состава затора 85
2.3.2. 0птимизация количества вносимого ферментного препарата «Родия ТА» и состава затора 86
2.3.3. Исследования одновременного использования ферментных препаратов «Родия ТА» и «р-глюканаза 200L» для приготовления пива с высоким содержанием несоложеного ячменя 88
2.4. Исследования производства пива из солода второго класса с применением ферментных препаратов 90
2.4.1 .Исследования влияния доли плохорастворимого солода и ферментного препарата «Родия ТА» на качество пивного сусла и пива 92
2.4.2. Исследования влияния доли плохорастворимого солода и ферментного препарата «р-глюканаза 200L» на качество пивного сусла и пива 97
2.4.3. Производственные испытания приготовления пива из солода второго класса с применением ферментных препаратов 101
2.5. Исследования применения ферментных препаратов для приготовления пива с высоким содержанием несоложеного материала (рис) 105
2.5.1. Исследования приготовления пивного сусла и пива с использованием большого количества риса и ферментного препарата амилолитического действия «Родия ТА» 105
2.5.2. Исследования наиболее целесообразных режимов приготовления пивного сусла и пива с использованием несоложеного материала (риса) и ферментного препарата «Родия ТА» 111
2.6. Экономическое обоснование применения солода второго класса и несоложеных материалов при производстве пива. 118
Выводы 120
Список использованных источников
- Ферментативный гидролиз пивоваренного сырья
- Методы определения активности ферментных препаратов
- 0птимизация количества вносимого ферментного препарата «Родия ТА» и состава затора
- Исследования приготовления пивного сусла и пива с использованием большого количества риса и ферментного препарата амилолитического действия «Родия ТА»
Ферментативный гидролиз пивоваренного сырья
При приготовлении солода расходуется определенное количество ценного крахмала на дыхание зерна, а также развитие зародышевого корешка. К этим потерям (7... 10%) следует добавить стоимость процесса соложения, потребность в воде, энергии, тепле и рабочей силе [77].
Поэтому, с целью сокращения перечисленных потерь, важной задачей при приготовлении сусла является перевод крахмала в сбраживаемые сахара и применение других крахмалосодержащих материалов. С помощью ферментов солода можно обеспечить необходимое расщепление различных групп веществ этого сырья, прежде всего, гидролиз крахмала в сахара и декстрины. Расщепление белка при этом невелико, так как пептидазы солода слабо расщепляют белок кукурузы или риса. Поэтому соотношение «сбраживаемый сахар/аминный азот» с ростом доли задаваемого несоложеного сырья смещается в сторону увеличения. В качестве несоложеного сырья могут рассматриваться все богатые крахмалом материалы, если они не содержат веществ, затрудняющих приготовление пива. Таковыми являются ячмень, пшеница, кукуруза, рис, просо, сорго, овес и т.д. Их применяют в виде размолотого продукта. Если в Германии, Греции, Норвегии, Швейцарии допускается для приготовления пива использовать только солод, то во всех других странах добавляют заменители солода в количестве 10...50%. Применение несоложеного сырья имеет ряд преимуществ: - меньшая стоимость сырья для производства 1 дал сусла; - легкое обеспечение необходимого состава сусла и пива благодаря варьированию соотношения солод/несоложеное сырье; - легкая стабилизация пива благодаря меньшему содержанию в нем азота. 1.1.1. Ячмень (Hordeum vulgare)
Ячмень является основным несоложеным сырьем, так как различные группы его веществ - белки или гемицеллюлозы атакуются и расщепляются ферментами солода. Кроме того, температура клейстеризации ячменного крахмала находится в области действия а-амилазы. В то же время расщепление гемицеллюлоз и их основной составляющей высоковязкого р-глюкана при обычных температурах затирания осуществляется не полностью, поэтому в интересах хорошего осветления сусла и еще больше фильтруемости пива, количество несоложеного ячменя не должно превышать 15... 25%.
В качестве несоложеного сырья должен применяться ячмень чистый и здоровый, без запаха плесневых грибов, не зараженный болезнями и семенами посторонних растений. Не играет роли ни вид ячменя (двух- или многорядный, яровой или озимый), ни содержание белка. Хотя оно влияет на выход экстракта [54].
Экономические проблемы производства солода связаны с качеством ячменя, высокой ценой энергоресурсов, недостаточной мощностью производства солода. В связи с этим, с целью снижения себестоимости пива, часть солода заменяют несоложеным сырьем, чаще ячменем, который по химическому составу ближе к ячменному солоду, чем зерно других культур, и меньше влияет на вкус пива [115,117,122].
Ячмень имеет сложный состав, который зависит от сорта, района произрастания, метеорологических и почвенных условий, массового соотношения отдельных частей зерна. Так, масса зародыша колеблется от 2,8 до 5%, цветочных пленок - от 6 до 17%. Ячмень состоит на 80.. .88% из сухого вещества и.из 12..,20% воды. Сухие вещества представляют собой сумму органических и неорганических веществ. Органические вещества в ос 11 новном состоят из углеводов и белков. Кроме того, они, содержат жиры, полифенолы, органические кислоты, витамины и др. Неорганические вещества - это фосфор, сера, кремний, калий, натрий, магний, кальций, железо, хлор. Некоторая часть их связана с органическими соединениями. К углеводам относятся крахмал и некрахмалистые полисахариды - целлюлоза, гемицеддюлоза, гумми-вещества (декстрины гемицеллюлоз), пектиновые вещества, сахариды (в алейроновом слое - сахароза, раффиноза, кес-тоза, изокестоза, в эндосперме - мальтоза, глюкоза, фруктоза) [77].
Средний химический состав ячменного зерна выражается следующими данными (в % на сухое вещество): крахмал 45...70% (25...30% амилоза и 70...75% амилопектин); белок 7.,.26%; пентозаны 7...11%; сахароза 1,7...2,0%; целлюлоза 3,5...7,0%; жир 1,5.. .2,5%; зольные элементы 2,5.. .3,5% [54].
Белки в ячменном зерне (альбумин, глобулин, глютелин, гордеин) распределяются неравномерно: наибольшее относительное содержание их в алейроновом слое в виде клейковины, во внешнем слое эндосперма в виде резервного белка, меньшее - в эндосперме, где белок входит в состав клеток. На основании содержания азота в белках ячменя, равного 16.. Л 7%, выведен коэффициент 6,25, с помощью которого рассчитывают содержание белка по методу Кьельдаля. Это содержание «сырого белка» включает также многочисленные небелковые вещества, например нуклео-тиды. В пересчете на безводное вещество количество общего азота в ячмене составляет 1,30... 2,15% [77].
Методы определения активности ферментных препаратов
Эндо-Р-глюканаза и экзо-р-глюканаза (рис. 1.5. и 1.6.) являются наиболее термочувствительными ферментами. Они начинают инактиви-роваться уже при температуре 40С и к окончанию процесса сушки эндо-Р-глюканаза теряет свою активность на 40%, а экзо-Р-глюканаза - на 80% по сравнению со свежепроросшим солодом. В результате готовый солод проявляет незначительную цитолитическую активность. Цитолитиче-ские ферменты очень важны, особенно при использовании большого количества несоложеного сырья, так как в ячмене стенки клеток эндосперма, являющиеся объектом действия гемицеллюлаз и других цитолитических ферментов, не растворены, что в дальнейшем может стать причиной повышенной вязкости затора и ухудшения фильтрации.
Из представленных графических зависимостей (рисунки 1.1... 1.6) видно, что при сушке солод теряет большую часть своей ферментативной активности.
По данным ряда авторов высушивание свежепроросшего солода даже по режиму для светлого солода значительно снижает активность фермен 50 тов (общую осахаривающую способность солода на 23%, а-амилазную активность - с 74,5 до 66,4 ед., диастатическую силу - с 585,5 до 394,8 ед.) [14].
По данным Главарданова [17], большая часть изменений в зернах ячменя происходит еще в течение процессов производства солода. В этом случае ферменты солода в процессе затирания в условиях значительно отличающихся от условий процесса прорастания, не в состоянии произвести все изменения составных компонентов зернового эндосперма, которые необходимы для получения качественного сусла в условиях замены солода большим количеством несоложеного сырья. Это подтверждается фактом инактивации значительной части ферментов в процессе сушки свежепро-росшего солода. В связи с этим, очевидным является то, что при применении большого количества несоложеного сырья, необходимо изыскивать другие способы для компенсации действия ферментов. Это можно осуществить, применяя ферментные препараты. В связи с этим, очевидно, что при переработке солода с добавлением большого количества несоложеного сырья наиболее эффективным и экономичным приемом является использование ферментных препаратов.
Использование ферментных препаратов в производстве пива
Исследования по применению ферментных препаратов на стадии получения пивного сусла с несоложеными материалами проводились на протяжении многих лет в США, Великобритании, Франции, Польше, Японии, Индии, Румынии, Болгарии, Швейцарии, а также странах классического пивоварения - Чехии и Германии.
Из многочисленных публикаций последних лет известно, что за рубежом различные фирмы выпускают свыше 70 ферментных препаратов бак 51 териального, грибного и растительного происхождения специально для использования 30... 100% несоложеного сырья. Имеются определенные успехи и в нашей стране, однако следует отметить очень ограниченный ассортимент препаратов.
Возможности ферментной обработки возрастают при целевом сочетании отдельных препаратов, обладающих специальными свойствами. Практика использования таких мультиэнзимных композиций (МЭК) весьма полезна и имеет большое значение. Например, в нашей стране раньше чем в других странах, был разработан способ производства пива при замене 85... 100% солода несоложеным сырьем с использованием смеси препаратов из A. oryze и В. subtilis.
Известно, что в той или иной степени эффективны следующие препараты: бактериальные и грибные амилазы, протеазы фирмы Novo (Дания) (марки BAV240, ВР1.5). Для замены 85... 100% солода несоложеным ячменем при получении ячменных сиропов рекомендованы препараты бактериального или грибного происхождения Нарваназа и Протеаза 36N (Великобритания), а также препараты фирмы Naarden (Нидерланды) в различных соотношениях протеолитической и амилолитической активности.
Безусловно, ферментные препараты полезны в пивоварении для повышения белково-коллоидной стабильности пастеризованного пива. Исследовалась и возможность применения препаратов протеолитических ферментов в качестве стабилизаторов пива на стадии дображивания, т.е. воздействие протеаз на белковые вещества молодого пива с целью уменьшения их молекулярной массы и повышения стойкости к белковым помутнениям. В настоящее время положительное действие микробных протеолитических препаратов однозначно доказано.
В связи с дефицитом зерноресурсов представляет интерес поиск новых сырьевых источников и изыскание путей их эффективного использования в технологии продуктов брожения. Имеются сведения о применении с этой целью кукурузы и риса, пшеницы и ячменя. Показана перспектива применения сорго, сахарных сиропов, проса, крахмала тапиоки.
Наибольшее распространение в пивоваренной промышленности США получили кукуруза и рис, количество их в заторе составляет 30...40%, реже 50%. Ферментные препараты при этом не используются. Это объясняется тем, что вырабатываемый в США солод имеет в 2...3 раза более высокую амилолитическую (а- и Р-амилазную) активность, чем европейский солод.
В Европе несоложеное сырье применяется в значительно меньших количествах. Во Франции и Японии используется рис и кукуруза, а в Англии ячмень и пшеница,
Применение несоложеного сырья и ферментных препаратов в производстве пива запрещено законодательством Германии, Швейцарии, Норвегии и Греции. До 20...30% несодоженых материалов разрешается использовать в пивоваренной промышленности Франции, Бразилии, Перу. В других странах применение несоложеного материала и ферментных препаратов законом не ограничивается [83,137,142].
0птимизация количества вносимого ферментного препарата «Родия ТА» и состава затора
Руководствуясь результатами лабораторных исследований (табл. 2.13...2.20) и рекомендациями фирмы «Rhodia En mes» (Великобритания), были проведены производственные варки сусла и пива в ЗАО «Пет-робир», ООО «ВИТ». В качестве контроля использовали заводское сусло, полученное из 100% сухого светлого солода высокого качества.
При этом использовали следующие режимы затирания; цитолитиче-ская пауза (40С) - 20 мин, белковая пауза (52С) - 30 мин, мальтозная пауза (63С) - 30 мин, осахаривание (70С). Ферментные препараты вносили в затор при температуре 52 С.
Кипячение сусла с хмелем осуществляли в соответствии с п.5.7.3. ТИ-18-6-47-85. Для охмеления сусла использовали следующие хмелепродук-ты: гранулированный хмель тип 90 сорта Tomahawk - 70% и YC-C02-экстракт - 30%. Норма внесения такого хмеля на 1 дал горячего сусла, рас і считывалась в соответствии с п. 5.7.4 ТИ-18-6-47-85 и приложением п. 13 ТИ-10-04-06-136-87. Режим внесения хмелеподуктов: - первая порция (40% от общей массы гранулированного горького хмеля и 30% УС-СОг-экстракта хмеля) - после набора первого сусла; - вторая порция (20% от общей массы) - через 30 мин после начала кипения сусла; - третья порция (10% от общей массы) - за 10... 15 мин до окончания кипения сусла.
Охлаждение и осветление сусла осуществляли в соответствии с п.7. ТИ-18-6-47-85. Процесс брожения и дображивания проводили в цилиндро-конических танках в соответствии с п. 10.4. ТИ-18-6-47-85.
Из табл. 2.21 видно, что введение ферментных препаратов в затор при приготовлении опытного сусла во всех вариантах способствовало достижению стандартных параметров качества сусла. С применением ферментных препаратов в заторе увеличивается конечная степень сбраживания. С точки зрения интенсификации процессов затирания (осахаривание и фильтрование), самые лучшие результаты были получены в образце 5 (опыт 4).
Брожение и дображивание пива осуществляли в цилиндроконических танках. В охлажденное до Ю...12С сусло вносили семенные дрожжи из расчета 0,3 дм3 на 1 гл сусла. Процесс брожения подтверждает положительное влияние на состав сусла, полученного с применением ферментных препаратов («Родия ТА» и «р-глюканаза 200L»), так как начало брожения было отмечено через 6...8 часов после задачи дрожжей. В образце 2 (100% ячменный солод второго класса) дрожжи долго адаптировались, и процесс брожения начинался на вторые сутки.
Продолжительность главного брожения в образце 5 (опыт 4) составила 6... 7 суток, вместо 8... 10 суток (в образце 2). Продолжительность процесса дображивания в пиве (образец 5) составила 14 суток вместо 15... 16 для 12,0 %-ого светлого пива (образец 2).
Содержание аминного азота (табл. 2.21) снижается в среднем на 20% в опытных образцах по сравнению с контролем. Тем не менее, полученного количества аминного азота оказалось достаточно, чтобы обеспечить необходимые условия для жизнедеятельности дрожжей. Поскольку при недостатке усвояемых азотистых веществ в сусле дрожжи начинают использовать собственные запасные аминокислоты, и интенсивность брожения падает. Во всех образцах готового пива определяли органолептические и фи 104 зико-химические показатели, энергетическую ценность (табл. 2.22. и приложение №1).
Из табл. 2.22 видно, что опытное пиво, сваренное с ферментными препаратами «Родия ТА» и «Р-глюканаза 200L» (опыт 4), на заседании дегустационной комиссии получило отличную оценку (приложение №1). Образец 5 (опыт 4) по всем физико-химическими показателями не уступал контролю и соответствовал ГОСТ Р 51174-98.
По результатам лабораторных исследований, производственных испытаний и результатам дегустации был рекомендован технологический і режим затирания, дозы и время добавки ферментных препаратов «Родия ТА» и «Р-глюканаза 200L» в затор: 105 - цитолитическая пауза при температуре 40С - 20 мин» белковая пауза при температуре 52С - 30 мин, мальтозная пауза при температуре 63С - 30 мин, полное осахаривание при температуре 70С, - доза ферментных препаратов «Родия ТА» и «р-гаюканаза 200L», вносимого в затор при использовании 100% солода второго класса, по 0,25 дм3/т при температуре 52С.
Исследования применения ферментных препаратов для приготовления пива с высоким содержанием несоложеного материала (рис)
Исследования приготовления пивного сусла и пива с использованием большого количества риса и ферментного препарата амилолитического действия «Родия ТА»
Целью данных исследований является изучение возможности приготовления пивного сусла и пива из солода и риса с применением ферментного препарата.
Рис находит очень широкое применение в качестве сырья для пивоварения, В пивоварении в основном используется обрушенный рис. Преимущества использования риса в качестве несоложеного сырья состоит в высокой экстрактивности (92...95% на сухое вещество), малом содержании растворимых белков, невысоком количестве жира, отсутствии Р-глобулина и антоцианогенов, которые участвуют в образовании помутнений пива.
Затирание проводили отварочным методом с соблюдением всех ферментативных пауз: белковая (при температуре 52С), мальтозная (при 63С), осахаривание (при 70С). Ферментный препарат добавляли при температуре 52С. В сусле определяли содержание аминного азота, углеводный состав, цвет, время осахаривания.
В условиях эксперимента сусло готовили следующим образом: в заторные стаканы вносили навески по 100 г измельченных зернопродуктов -солод высокого качества и рис соответственно 90 г и 10 г; 80 г и 20 г; 70 г и 30 г; 60 г и 40 г. Контрольным служило сусло, приготовленное из 100% солода высокого качества.
Исследования приготовления пивного сусла и пива с использованием большого количества риса и ферментного препарата амилолитического действия «Родия ТА»
Мы, нижеподписавшиеся, представители дегустационной комиссии Василинец И.М., доктор технических наук, профессор, зав. кафедры пищевой биотехнологии СПбГАХПТ, Калашникова А.М., кандидат технических наук, доцент кафедры пищевой биотехнологии СПбГАХПТ, Меледи-на Т.В., кандидат биологических наук, доцент кафедры пищевой биотехнологии СПбГАХПТ, Камышова Н.В,, кандидат технических наук, технолог-консультант ЗАО «Банг & Бонсомер», Казарян А.Г., аспирант кафедры пищевой биотехнологии СПбГАХПТ, Антонова НА., ведущий технолог ЗАО «Петробир», Яковлева И.Н., технолог ООО «ВИТ» составили настоящий акт, в том, что в январе-феврале 1999 года проводились опытные производственные варки пива (12,0%) на минипивзаводах ЗАО «Петробир», 000 «ВИТ», ИЧП «Соловьев», по выполняемой кафедрой пищевой биотехнологии СПбГАХПТ теме: «Совершенствование биотехнологических процессов производства пива с применением ферментных препаратов».
Варки опытных и контрольных образцов пива проводились из одной партии солода и настойным способом были получены 4 варианта сусла с массовой долей сухих веществ в начальном сусле 12,0%:
Режим внесения хмеля: первая порция (50%) - через 10 минут после начала кипячения; вторая порция (40%) — за 30 минут до окончания кипячения; третья порция (10%) - за 10 минут до окончания кипячения.
Фильтрование осуществляли в фильтрационных чанах в соответствии с п. 5.6.1 ТИ-18-6-47-85. Продолжительность фильтрования контрольного затора для партии 500 литров (первое сусло) - 90 минут, а в образце 1-55 минут, в образце 2 - 70...80 минут, в образце 3 - 60,.,65 минут соответственно.
Брожение и дображивание пива осуществляли в цилиндроконических танках в соответствие с п. 10.4 ТИ - 18-6-47-85.
В охлажденное до Ю...12С сусло вносили семенные дрожжи из рас "X чета 0,3 дм на 1 гл сусла. Процесс брожения подтверждает положительное влияние на состав сусла, полученного с применением ферментных препаратов («Родия ТА» и «Р-глюканаза 200L»), так как начало брожения было отмечено через 6...8 часов после задачи дрожжей. В контрольном образце (100% ячменный солод второго класса) дрожжи долго адаптировались, и процесс брожения начинался на вторые сутки.
Сроки главного брожения в опытном образце составили 6.,.7суток, вместо 8...10 суток (в контроле). В процессе главного брожения был отмечен прирост дрожжей в два раза больше обычного» Продолжительность процесса дображивания в опытном пиве составила 14 суток вместо 15... 16 для 12,0%-го светлого пива.
Физико-химический анализ готового пива проведен по ГОСТ Р 51174-98. Результаты представлены в таблице № 2.22.
Полученные результаты дают возможность сделать следующие выводы:
1. Процессы приготовления пивного сусла и пива из солода второго класса по ГОСТ 29294-92 с использованием ферментных препаратов «Родия ТА» и ф-гдюканаза 200L» происходит интенсивнее.
2. Основные физико-химические показатели укладывались в допускаемую величину отклонений по ГОСТ Р 51174-98.
3. Приготовление пивного сусла и пива из солода второго класса с применением ферментных препаратов «Родия ТА» и «р-глюканаза 2Q0L» положительно влияет на качества пива и его пеностойкость.
4. По результатам дегустации можно утверждать, что получен новый сорт светлого пива (12,0%), который во всех вариантах (опыт 1, опыт 2, опыт 3) одновременно приемлем.
