Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы
1.1 Биологическая характеристика пивоваренного ячменя 5
1.2 Влияние условий созревания и хранения ячменя на качество пивоваренного солода 9
1.3. Проращивание пивоваренного ячменя 14
1.4 Традиционные способы солодоращения 23
1.5. Воздействие химических и физических факторов на процесс солодоращения 26
1.6. Постановка задачи 31
2. Объекты и методы исследований
2.1. Объекты исследований 33
2.2 методы исследований 34
2.2.1. Определение способности прорастания 34
2.2.2. Определение экстрактиености солода. 35
2.2.3 Определение продолжительности осахаривания 35
2.2.4. Определение вязкости. 35
2.2.5 Определение растворимого азота (число Кольбаха) 36
2.2.6 Определение степени растворений сцлода. 36
2.2.7 Определение амилолитическойспособно сти солода. 36
2.2.8 Определение протеолитической активности . 37
2.2.9. Определение степени растворения эндосперма зерна 38
2.2.10. Определение диастатической силы 38
3. Результаты исследований и их обсуждение
3.1 Влияние звуковой частоты на энергию и способность прорастания ячменя 39
3.2. Механизм влияния звука на прорастание ячменя 43
3.2.1. Изменение структуры зерна 44
3.2.2. Изменение активности ферментов 48
3.2.3. Изменение активности микрофлоры 50
3.3. Влияние звука на ферментативную активность солода 51
4. Показатели солода, полученного в результате расширенных лабораторных испытаний из ячменя вариантов 1 и 2 (ОАО "Дека", г. Великий новгород) 62
5. Расчет экономической эффективности от внедрения способа солодоращения 65
6. Показатели пива 66
7. Основные результаты и выводы работы приложение 1 69
Приложение 2 80
Список литературы
- Влияние условий созревания и хранения ячменя на качество пивоваренного солода
- Определение экстрактиености солода.
- Определение протеолитической активности
- Механизм влияния звука на прорастание ячменя
Влияние условий созревания и хранения ячменя на качество пивоваренного солода
Вегетационный период созревания ячменя длится т 100 до 120 дней, но качественное и количественное состояние семян ячменя пределяется временем образования и налива зерна. Если ячмень в период от всходов до цветения и колошения поглотил 80-85% сех основных питательных веществ, то последняя фаза развития, после цветения чменя, в основном зависит от образования запасных и строительных материалов углеводов, от достаточного количества влаги и благоприятного солнечного свещения (12). Созревание пивоваренного ячменя происходит, когда все изменения в зерне юрментативного, коллоидно-химического характера и т.д. постепенно рекращаются, т.е. к концу фазы полной спелости. Во время созревания жанчивается перемещение азотистых веществ и одновременно растение ереводит растворимые углеводы в нерастворимые, откладывая их в семенах в форме крахмальных зерен. Эти процессы зависят от внешних воздействий, т состояния растения, условий посева, от вида и сорта ячменя (12). Во время эзревания в зерно поступают углеводы, которыми заполняются клетки нутреннего эндосперма, благодаря чему увеличивается доля углеводов по тношению к азотистым веществам (10).
На отдельных стадиях созревания ячменя в нормальных климатических зловиях соотношение между накоплением веществ и их конденсацией с бразованием высокомолекулярных соединений изменяется следующим образом.
На стадии молочной спелости накопление веществ преобладает над процессом энденсации, что приводит к приросту массы зерна и повышению содержания в ем низкомолекулярных веществ (45).
В период между стадиями молочной и восковой спелости процессы акопления веществ и их конденсации находятся в равновесии. В этот период ри увеличении массы зерен не изменяется количество низкомолекулярных ЇЩЄСТВ, тогда как процентное содержание высокомолекулярных веществ эвышается.
В период между стадиями восковой и полной спелости процесс конденсации эеобладает над процессом накопления веществ. В это время масса зерен зеличивается незначительно, однако происходит снижение доли ззкомолекулярных соединений и повышение содержания высокомолекулярных )единений.
После достижения полной зрелости накопления веществ не происходит, а зотекает лишь процесс конденсации. Масса зерен не уменьшается, а возрастает шичество высокомолекулярных веществ (45).
Начальные стадии созревания ячменя характеризуются высокой активностью грментов, которая снижается по мере созревания ячменя. Решающее значение ія последующего прорастания ячменя имеет содержание активных ферментов ексокиназы, целлобиазы, альдолазы и др.), которые влияют на скорость II прорастания, водопоглощение и на накопление в них гидролитических ерментов.
Различные почвенные и климатические условия влияют не только на общее ачество ячменя, но и на содержание в нем ферментов. Длительная и чрезмерно ухая погода в фазе молочной спелости и в первый период восковой спелости :ожет привести к досрочному созреванию. Однако при этом происходит арушение перемещения в зерно растворимых веществ, особенно углеводов, в езультате зерно развивается не полностью и образует только эмбриональную асть, эндосперм остается недоразвитым (58).
В случае минимального выпадения осадков, образуется зерно, эндосперм оторого беден крахмалистыми веществами, то есть оно непригодно для роизво детва пивоваренного солода. В этом случае азотистые вещества имеют еблагоприятный для солодоращения состав, потому что не происходит омплексного образования высокомолекулярных белков. Такое зерно имеет ольшой удельный вес пленок, что также влияет на качество пивоваренного олода.
Дождливая погода затягивает созревание зерна и задерживает дозревание. [роисходят процессы, при которых в зерне не откладываются изкомолекулярные вещества. При затянувшейся дождливой погоде происходит реждевременное пробуждение зародыша. Зерно прорастает, находясь еще в олосе, и тем самым существенно меняется структура семени. Проросшие зерна акже не годятся для производства качественного солода (10).
Для технологии производства солода и пива важно знать также, какие зменения происходят в зерне в последнюю фазу созревания и после его уборки.
Послеуборочное дозревание и хранение ячменя. Пивоваренный ячмень бычно убирают на стадии неполной физиологической зрелости. Обмолоченный чмень достигает физиологической зрелости, необходимой для прорастания, осле определенного периода хранения. В это время необходимо его вентилирование для уменьшения влажности до 13 - 14%. Время, еобходимое для достижения его физиологической зрелости, различно и івисит от сорта ячменя и условий прорастания. Ячмень, выросший в теплых айонах, приобретает зрелость быстрее, чем ячмень выращенный в более олодных районах. Поздняя уборка также сокращает период послеуборочного эзревания, причем на время не меньшее, чем разность в сроках уборки. (45).
Изменение свойств ячменя при его хранении обусловлено кроме всего прочего ЇМ, что в зернах протекает важнейший процесс жизнедеятельности - дыхание. дя процесса дыхания необходим кислород, а сам процесс протекает с делением тепла. При дыхании неизбежно происходят потери крахмала. Эти этери тем больше, чем интенсивнее дышит зерно, а интенсивность дыхания івисит от влажности зерна и температуры. Кроме того, повышение влажности
температуры приводит к развитию микрофлоры, что в дальнейшем приводит к удшению качества зерна. Таким образом, влажность зерна в технологическом гношении является одним из самых важных факторов для поддержании зрошего санитарного состояния зерна и последующего его прорастания (48).
Определение экстрактиености солода.
Еще один механизм опосредственного действия физического фактора на зерно связан с подавлением патогенных микроорганизмов на его поверхности и в порах. Этот факт неоднократно отмечается в литературе и связывается с тем, что максимальное физическое воздействие приходится как правило на оболочки семян. В этом случае можно полагать реализацию третьего из перечисленных механизмов, вызывающего торможение всех процессов в клетках (в данном случае в микроорганизмах) с последующей их гибелью. (80, 78,77,31).
Кроме постоянного воздействия, в литературе отмечается положительное влияние импульсного и периодического физического воздействия на зерно. К переменным факторам физического воздействия мы можем отнести звук, свет, гамма-облучение, поскольку они обладают собственной частотой. В частности, замена постоянного тока, пропускаемого через зерновку, на переменный увеличивает всхожесть, скорость роста корня, количество и активность ферментов в солоде. То же отмечается в случае импульсного действия давления, температуры и других факторов. (69, 72).
Из вышерассмотренного материала можно сделать вывод: ттенсифицировать процесс солодоращения с сокращением потерь на дыхание и іучшением качества продукции можно различными способами. Благодаря «действию различных методов стимуляции можно при производстве солода лтользовать ячмень с нестандартными показателями.
В литературе неоднократно обсуждались вопросы воздействия физических жторов на прорастание семян ячменя. Однако, однозначной трактовки їханизма воздействия этих факторов нет. Вместе с тем мы видим, что физические факторы, такие как свет, звук, электромагнитные поля, находят пирокое применение не только в сельском хозяйстве и других отраслях, но и в швоварении, в частности в процессе солодоращения. Изменением давления, емпературы, воздействием электромагнитных полей, звуком низкой частоты южет быть достигнуто увеличение энергии прорастания зерна и улучшение іиохимических показателей солода, тогда как применение, например, ультразвука вязано с целым рядом последствий негативного воздействия на зерно.
Одним из перспективных методов стимуляции солодоращения может быть оздействие звуком в широком диапазоне "слуховых" частот. (66). В связи с этим ;елью данной работы является изучение воздействия акустических волн в иапазоне частот от 50 до 10000 Гц на прорастание ячменя в процессе олодоращения. В процессе работы решались следующие задачи: 1. Установление воздействия акустических волн в диапазоне частот от 50 до 10000 Гц на энергию и способность прорастания ячменя и ферментативные показатели солода. 2. Выявление наиболее благоприятного режима воздействия звуковых частот. 3. Изучение механизма влияния звука на прорастание ячменя. 4. Разработка технологии получения солода с улучшенными ферментативными характеристиками из ячменя с низкой прорастаемостью. 5. Создание пилотной установки для внедрения метода в производство.
Эксперимент проводился на ОАО "Дека" (г. Великий Новгород) и в Моратории биофизической химии института прикладной эвралогии РАЕН. 2. Объекты и методы исследований. 2.1. Объекты исследований.
Для проведения опыта брали 6 проб по 500 зерен ячменя (1 контрольная) с рорастаемостью 90% и 6 проб по 500 зерен ячменя с прорастаемостью 50%, затем каждую пробу помещали в воронку, на конце которой надета короткая езиновая трубка с зажимом. В воронку с ячменем при закрытом зажиме аливали воду комнатной температуры с таким расчетом, чтобы уровень воды ыл на 1.5 - 2 см выше слоя зерна. Замачивание вели при температуре 16 - 17 С. ерез 4 часа зажим открывали, спускали воду и оставляли зерно во влажной гмосфере на 16 - 18 часов. Чтобы оно не подсохло, воронку закрывали рышкой, внутрь которой помещали несколько слоев фильтровальной бумаги, соченной водой. По окончании воздушной паузы зерно снова заливали водой и зтавляли на 4 часа, затем воду спускали и зерно оставляли прорастать во іажной атмосфере до 5 суток. Через 72 часа от начала опыта подсчитывали зличество проросших зерен и по разности между взятыми для анализа и проросшими определяли число проросших зерен - энергию прорастания пр.).
Непроросшие зерна снова помещали в воронку и выдерживали под )Ышкой еще двое суток, а затем подсчитывали дополнительно проросшие зерна подсчитывали способность прорастания.(Есп.)
Способность прорастания подсчитывали на пятый день, энергию юрастания на третьи сутки. Ошибка эксперимента по определению юрастаемости зерна не превышала 1 -2 % (вариант 1), 2 - 5% (вариант 2) 2.2.2. Определение экстрактивности солода.
Определение экстрактивности проводили стандартным методом. Сущность метода заключается в переводе в раствор экстрактивных веществ солода под действием его собственных ферментов при определенных условиях, с последующим отделением раствора и определением его концентрации пикнометрическим методом (36).
Определение осахаривания основывается на способности крахмала давать ятенсивное окрашивание с йодом. В результате ферментативного гидролиза эахмала в растворе накапливаются редуцирующие сахара и декстрины. родолжительнось осахаривания определялась временем (в минутах), которое ебовалось для полного осахаривания затора при 70С. При достижении сазанной температуры затора брали каплю затора и помещали ее рядом с іплей раствора йода, смешивали их и наблюдали за окрашиванием (36).
Для определения вязкости использовали вискозиметр Оствальда. (36) ущность метода сводится к последовательному установлению времени стечения дистилированной воды, а затем сусла из одного и того же объема грез капилляр одного и того же диаметра и длины.
Определение протеолитической активности
В таблице 5 представлены данные о размере колоний, характеризующих активность (способность к размножению) различных классов грибов, обнаруженных на поверхности ячменя с высокой прорастаемостью (вариант 1), до и после обработки сухого зерна звуком разной частоты. Видно, что звуковая обработка зерна снижает активность грибов на его поверхности. При этом, чем больше частота звука, тем ниже активность полевых грибов и грибов хранения. Полное подавление активности при высоких звуковых частотах наблюдается в случае наиболее опасных для зерна грибов: Fuzarium, Mukor. Аналогичная картина наблюдается и для зерна варианта 2 с низкой прорастаемостью.
Сравнение этих данных с результатами исследований энергии прорастания и способности прорастания для вариантов 1 и 2 показывает, что и в том и в другом случае наблюдается тенденция увеличения прорастания зерна, особенно при озвучивании увлажненного зерна варианта 2, одновременно со снижением активности его микрофлоры с ростом звуковой частоты, что по нашему мнению, связано с его высокой дефектностью (ослабленное зерно) и высокой степенью зараженности грибком. Увеличение энергии и способности прорастания зерна за счет подавления активности патогенной микрофлоры на его поверхности и в порах неоднократно отмечалось в литературе.
Таким образом, полученные нами данные указывают на то, что в нашем случае реализуется и этот опосредованный механизм действия звука на ячмень, то есть подавление активности микрофлоры на его поверхности.
Подводя итог исследованию возможных механизмов действия акустических волн среднего диапазона частот на ячмень можно сделать вывод о том, что слышимый нами звук изменяет прорастаемость зерна, оказывая воздействие на структуру биомембран зерновки, активность ферментов в ней, а также на микрофлору на ее поверхности. Если в первых двух случаях наблюдается отчетливая зависимость изменения соответствующего фактора от звуковой частоты (увеличение или снижение при определенных частотах), то в последнем проявляется тенденция подавления активности микроорганизмов с ростом звуковой частоты, то есть с увеличением энергии звука. Сравнительный анализ полученных данных показал, что наибольшее влияние на прорастание ячменя оказывает изменение структуры зерна под воздействием звука.
Фаза набухания характеризуется активизацией биохимических процессов, приводящих к наклевыванию семян. Достаточное обеспечение влагой зерновки при низкой степени ее травмированности способствует нормальному протеканию процессов активизации синтеза ферментов и других биологически активных веществ в ней. Известно, что одной из важнейших характеристик солода является его ферментативная, в частности амилолитическая, протеолитическая и цитолитическая активность (последнюю можно охарактеризовать по степени растворения солода). Обнаруженные нами изменения энергии и способности прорастания ячменя под действием звука дают основания ожидать и изменение ферментативной активности солода.
Рассмотрим влияние акустических волн различной частоты на ферментативную активность солода, полученного из зерна вариантов 1 и 2 при обработке звуком на разных стадиях солодоращения. Данные представлены в таблицах 9-14 приложения и на рис. 10-15.
Из этих данных следует, что ферментативная активность солода, полученного из озвученного ячменя, изменяется по сравнению с контролем (в таблицах и на рисунках приведены значения, отнесенные к контролю, принятому за 100%). При этом она существенно зависит от сорта ячменя, стадии его озвучивания, а также звуковой частоты.
Важно отметить, что, независимо от стадии звуковой обработки зерна, можно выделить звуковые частоты, в области которых наблюдаются отчетливые максимумы активности для всех исследованных ферментов (200 Гц, 2000 - 10000 Гц). Причем, при этих же значениях наблюдаются максимумы способности прорастания зерна (например, вариант 1 - рис. 10). Это само по себе достаточно очевидно для нетравмированного зерна (см. выше), поскольку его прорастание зависит не только от количества поступившей воды, но и от активности ферментов.
В случае озвучивания сухого зерна варианта 1 обращает также на себя внимание тенденция увеличения активности всех ферментов, в первую очередь цитолитических (СР) и протеолитических (ПР), с ростом звуковой частоты, то есть при увеличении энергии акустической волны. Этот факт можно связать с подавлением активности микрофлоры на поверхности зерна при увеличении частоты звука (см. табл. 5). При обработке замоченного, т.е. прорастающего зерна, такая тенденция не наблюдается, по - видимому в силу того, что оно уже "набрало силу" и способно противостоять негативному действию микроорганизмов.
Механизм влияния звука на прорастание ячменя
Как следует из этих данных, ферментативная активность солода увеличивается при переходе от озвучивания сухого зерна к озвучиванию зерна после первой и далее после второй замочки. Этот эффект отчетливо наблюдается в области частот выше 200 Гц. Энергия прорастания при этом как правило выше контроля.
Из этих данных следует, что для получения солода с высокой ферментативной активностью из зерна с низкой прорастаемостью данным способом можно рекомендовать его обработку после второй замочки звуком частотой 10000 Гц. При этом достигается максимальная активность всех ферментов (протеолитических - 330% по отношению к контролю, амилолитических - 190%, цитолитических - 340%). Важно отметить, что частоты, соответствующие максимумам и минимумам ферментативной активности солода, в ряде случаев удовлетворительно коррелируют с соответствующими частотами для модельного фермента - пероксидазы (см. выше), а также альфа - амилазы.
Обращает на себя внимание тот факт, что обработка зерна варианта 2 звуком частотой 200 Гц, как в случае варианта 1, дает устойчивое повышение всех видов активности по отношению к контролю независимо от стадии солодоращения, при которой проводится озвучивание. Таким образом, в результате анализа в данном разделе установлено, что, независимо от сорта ячменя, обработка его звуком среднего диапазона частот как правило приводит к увеличению ферментативной активности полученного из него солода. При этом максимальный эффект достигается после озвучивания прорастающего зерна (после второй замочки), ферментативные системы которого наиболее активны, а следовательно наиболее чувствительны к действию внешних факторов, в данном случае звука, по сравнению, например, с сухим зерном. Это также доказывают результаты анализа зависимости от частоты звука скорости модельных реакций: пероксидазной и альфа-амилазной (см. выше).
Действительно из литературных данных известно, что, например, альфа-амилаза практически отсутствует в сухом зерне, а образуется в нем только в процессе солодоращения. Содержание бетта-амилазы также возрастает по мере проращивания, поскольку зависит от накопления протеолитических ферментов, количество которых в свою очередь, как показано в работе, увеличивается под воздействием звука.
Суммируя данные, приведенные в работе, можно сделать вывод о том, что акустическая обработка зерна, в данном случае ячменя, оказывает существенное воздействие на структуру его мембран, активность ферментов в нем и жизнеспособность микрофлоры на его поверхности. При определенных частотах, как правило достаточно высоких, это воздействие является положительным, вызывая ускоренное прорастание зерна и накопление ферментов в нем, причем, если Епр. и Есп. связаны в основном с изменением структуры зерновки, то ферментативная активность солода изменяется главным образом за счет изменения активности ферментов зерна под воздействием звука.
Анализ полученных данных показывает, что влияние звука на ферментативную активность солода гораздо значительнее (до 100 - 200%), чем на прорастаемость ячменя (до 5 - 20% ). В этой связи при оценке качества зерна, полученного после акустического воздействия, рекомендуется дополнительно к оценкам по ГОСТ исследовать ферментативную активность образующегося солода. 4. Показатели солода, полученного в результате расширенных лабораторных испытаний из ячменя вариантов 1 и 2 (ОАО "Дека", г. Великий Новгород)
Опытное соложение производили при воздействии акустического звука с частотой 200 Гц на зерно после первого замачивания. Для эксперимента брали ячмень варианта 1 и варианта 2. После проведения эксперимента был получен солод со следующими показателями (таб. 6). Замачивание, проращивание и сушку ячменя производили на пилотной установке, изготовленной для экспериментального производства солода из партий ячменя 10 - 15 кг.
Опытное солодоращение с обработкой ячменя звуком частотой 200 Гц после первого замачивания подтвердило исследования, проведенные в лаборатории. Качество солода, полученного из ячменя варианта 2, соответствует показателям солода второго класса согласно ГОСТ. При сравнении контроля и опытного образца видно (таб. 6), что прорастаемость увеличилась (на 5,6%). То же самое можно сказать и об экстрактивности. Из таблицы 6 видно, что такие важные показатели как осахаривание, вязкость сусла и активность ферментативного комплекса стали значительно лучше, что приближает его к солоду из ячменя 1-го класса и говорит о правильном направлении наших исследований.
Если сравнить опытные образцы варианта 1 и 2, то можно сказать, что благодаря действию звука показатели солода улучшились по сравнению с контрольными образцами. Солодоращение ячменя после звуковой обработки в предлагаемом режиме (сухое зерно, 200 Гц, 65 дБел, 5 мин.) позволяет получить из неклассного ячменя (вариант 2) солод, по своим показателям приближающейся к солоду второго класса согласно ГОСТ 29294-92, а из ячменя второго класса (ГОСТ 5060-86) - к солоду первого класса, который может быть использован для получения пива (п.6). Таблица 6.
