Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обзор научно-технической литературы 9
1.1 Тритикале. Характеристика сортов тритикале, разработанных в Центрально-Черноземной полосе 9
1.2 Характеристика состава зерна тритикале 11
1.3 Народно-хозяйственное значение тритикале 19
1.3.1 Использование тритикале в хлебопекарной промышленности 19
1.3.2 Использование тритикале в бродильной промышленности 24
1.4 Приготовление и применение солодов 25
1.4.1 Технология производства ферментированного и неферментированного солодов 25
1.4.2. Применение ферментированного и неферментированного солодов 42
ГЛАВА 2 Материалы и методы исследований 45
2.1 Сырьё и материалы, использованные в работе 45
2.2 Методы определения активности гидролитических ферментов солода... 45
2.3 Методы определения углеводов 46
2.4 Методы определения азотсодержащих веществ 46
2.5 Методы определения основных физико-химических показателей сырья и готового солода 47
2.6 Экспериментальная установка для приготовления солода 47
ГЛАВА 3 Разработка технологии солодов из зерна тритикале 49
3.1 Выбор сорта зерна тритикале для производства солода 49
3.2 Определение энзиматических характеристик зерна тритикале 50
3.3 Выбор оптимального режима проращивания, ферментации и сушки ^5
3.3.1 Выбор оптимального режима солодоращения тритикале ^5
3.3.1.1 Изучение влияния технологических факторов на процесс солодоращения тритикале 61
3.3.1.2 Математическая обработка экспериментальных данных процесса солодоращения зерна тритикале 65
3.3.2 Получение неферментированного солода 68
3.3.3 Получение ферментированного солода 74
3.3.3.1 Выбор оптимального режима ферментации 76
3.3.3.2 Математическая обработка экспериментальных данных процесса ферментации тритикалевого солода 80
3.3.3.3 Исследование изменения активности а- и р-амилазы, протеолитической активности солода при выбранном режиме ферментации 83
ГЛАВА 4 Изучение изменения белковых веществ и углеводного состава зерна тритикале при приготовлении ферментированного солода 89
4.1 Изменение фракционного состава белковых веществ тритикале 89
4.2 Исследование изменения содержания аминокислот 92
4.3 Динамика углеводного состава зерна тритикале при приготовлении ферментированного солода 95
ГЛАВА 5 Исследование возможности использования тритикалевых солодов в бродильной промышленности... "
5.1 Исследование возможности замены ржаных солодов тритикалевыми
при приготовлении концентрата квасного сусла и кваса "
5.2 Использование ферментированного тритикалевого солода для
производства темного пива Ю1
ГЛАВА 6 Модификация технологий биологических кислотосодержащих разрыхлителей - полуфабрикатов хлебопекарного производства ЮЗ
6.1 Характеристика традиционной технологии жидких дрожжей ЮЗ
6.2 Исследование влияния некоторых факторов на активность а - и (3 -амилаз неферментированных солодов 107
6.3 Совершенствование технологии жидких дрожжей и их применение в технологии хлебобулочных изделий 116
6.3.1 Исследование биологических показателей качества жидких дрожжей приготовленных по усовершенствованной схеме 122
6.3.2 Применение жидких дрожжей с улучшенными биотехнологическими показателями в технологии хлебобулочных изделий 126
6.4 Применения неферм ентированного солода из тритикале при приготовлении биологических кислотосодержащих разрыхлителей 132
Выводы 135
Список использованных источников 137
Приложения 149
- Характеристика состава зерна тритикале
- Технология производства ферментированного и неферментированного солодов
- Выбор оптимального режима солодоращения тритикале
- Исследование изменения содержания аминокислот
Введение к работе
Актуальность работы. Диссертация посвящена разработке технологии получения тритикалевых солодов и исследованию по их применению для замены ими ржаного ферментированного и неферментированного солодов с целью расширения сырьевой базы и ассортимента выпускаемой пищевой продукции, снижения ее себестоимости и улучшения качества.
В конце 90-х годов XX века в России потребительский рынок стал проявлять интерес к старинным забытым национальным напиткам. В то же время производители прохладительных слабоалкогольных и безалкогольных напитков заинтересованы в расширении их ассортимента. Правительство Российской Федерации разработало концепцию государственной политики в области здорового питания населения на период до 2005 г., утверждённую постановлением Правительства РФ № 917 от 10.08.1998 г., в которой отдаётся предпочтение разработке новых видов пищевых продуктов, приготовленных с использованием нетрадиционных видов сырья и способствующих укреплению здоровья населения. Данная работа направлена на реализацию этой концепции.
Выращиваемые в настоящие время новые сорта тритикале районированы и включены в Государственный реестр недавно (Тальва 100, Укро). До сих пор на заводах России на производство солодов направлялось традиционное высококондиционное сырье, при этом следует отметить, что режимы приготовления солода отличаются длительностью отдельных технологических стадий.
Изучение солодовых свойств зерна тритикале новых сортов и определение для них рациональных режимов приготовления солодов с учетом сортовых особенностей и биохимических показателей является актуальной проблемой современного этапа производства.
Цель и задачи исследования. Целью исследования являлось совершенствование технологии производства ферментированного и неферментиро-
6 ванного солодов из нетрадиционного вида сырья - зерна тритикале и разработке новых технологических режимов.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи: изучить солодовенные свойства новых сортов тритикале, выращенных в Центрально-Черноземном регионе, и определить сорта наиболее пригодные для производства солодов на основании физико-химических и биохимических характеристик зерна тритикале; разработать оптимальные технологические режимы солодораще-ния, ферментации и сушки солодов из тритикале; изучить влияние режимов приготовления солода на качественный и количественный состав аминокислот и углеводов солода; определить влияние предлагаемых технологий производства солодов из тритикале на изменение фракционного состава белковых веществ; разработать технологию промышленного производства и техническую документацию на предлагаемую технологию производства солода; изучить возможность использования тритикалевых солодов, выработанных по предлагаемой технологии, в пивоваренной и безалкогольной промышленности; изучить возможность применения нетрадиционных солодов для производства биологических разрыхлителей и кислотообразователей хлебопекарного производства.
Научная новизна
Изучены технологические свойства новых сортов тритикале, теоретически и экспериментально обоснованы возможность и целесообразность использования их в производстве ферментированного и неферментированно-го солодов;
Впервые исследована динамика углеводов и белков зерна по ста- дням приготовления ферментированного солода - солодоращения, ферментации и сушки, выявлена степень участия аминокислот и Сахаров тритикале-вого солода в реакции меланоидинообразования;
Теоретически и экспериментально доказана возможность применения: неферментированного солода из тритикале в производстве биологических кислотосодержащих разрыхлителей для хлебопекарного производства; ферментированного солода из тритикале для производства концентрата квасного сусла, кваса и темных сортов пива.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Практическая ценность заключается в расширении сырьевой базы для пивоваренной, безалкогольной и хлебопекарной промышленности; снижении технологических затрат в результате сокращения времени производственного цикла, как на стадиях ферментации и сушки солодов, так и в пищевой промышленности за счет более высокой ферментативной активности нетрадиционных тритикалевьгх солодов.
Реализация результатов работы. Разработаны способы получения неферментированного и ферментированного солодов из тритикале (патент №2220194), технические условия и технологические инструкции для их производства. Предложена рецептура концентрата квасного сусла (ККС) и темного сорта пива на основе тритикалевых солодов. Разработана рецептура биологических разрыхлителей и кислотообразователей для хлебопекарного производства с использованием тритикалевого солода (подана заявка на изобретение 2004110007 с приоритетом от 05.04.04 г.). Проведены производственные испытания с актами внедрения на предприяти ОАО «Хлебзавод №2» март - апрель 2004 г.
Апробация работы. Результаты научных и практических исследований докладывались в 6 сообщениях на внутривузовских и Всероссийских научных конференциях в период с 1999 - 2004 г.г.
8 Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 8 публикациях, в том числе 1 патенте РФ.
Характеристика состава зерна тритикале
Углеводно-амилазный комплекс. В углеводный комплекс зерна тритикале входят высшие полисахариды (крахмал, декстрины, клетчатка, гемицел-люлозы), полисахариды (дисахариды, трисахариды) и небольшое количество простых Сахаров (глюкоза, фруктоза) /30,42/. Одним из важнейших углеводов зерна является крахмал, который имеет большое технологическое значение в различных отраслях пищевой промышленности /3/. Строение зерна тритикале в общих чертах сходно с таковыми у исходных родительских форм. Крахмальные зерна в основном сферические, но встречаются и многоугольные формы. Также одна из отличительных особенностей зерновки тритикале — более неправильная форма клеток алейронового слоя. Эндосперм имеет типичную структуру для злаковых культур, в котором иногда видны «пустые» области, в которых не происходит формирования крахмальных зерен. Тип развития эндосперма и формирования крахмальных зерен тритикале сходен с таковыми у твердой пшеницы, ржи и твердозерной красной яровой пшеницы. Содержание крахмала у тритикале варьируется от сорта к сорту и зависит от многочисленных факторов, но мало отличается от зерна пшеницы и ржи /71,100/.
Важным в технологическом отношении свойством крахмала, является температура начальной и максимальной клеистеризации. Температура начала клеистеризации у тритикале выше (58...59,5 С), чем у пшеницы (56,6 С) и ржи (52 С). Крахмал тритикале имеет низкое содержание амилозы и гораздо больше мелких гранул, чем крахмал пшеницы и ржи. По величине крахмальных зерен тритикале занимает промежуточное положение между пшеницей и рожью. Также можно отметить, что крахмал тритикале меньше подвержен механическим повреждениям /15,30,102/.
Клейстеризованный крахмал тритикале по величине относительной вязкости близок к пшеничному, но в тоже время максимум вязкости достигается быстрее и при более низкой температуре. Очевидно, что крахмал тритикале легче поддается действию ферментов /71/. Динамику накопления крахмала в процессе развития зерна тритикале исследовал П. Аграваль /95/. Отмечено наибольшее содержание крахмала на 28-36 день после цветения, а затем происходит снижение этого показателя на 2-19 % от максимального содержания. У тритикале сорта 1MB, характеризующегося наличием деформированных зерен, снижение количества крахмала начинается раньше, чем у зерна ранних сортов тритикале.
По остальным показателям качества различий между свойствами крахмала тритикале, пшеницы и ржи в процессе исследований не обнаружено. В процессе созревания происходят изменения в количестве и соотношениях различных Сахаров. П. Аграваль отмечает, что максимум восстанавливающих Сахаров наблюдается на 14 день после цветения, а затем количество их снижается до полной спелости. Все исследованные сорта тритикале в зрелом зерне содержали больше Сахаров, чем пшеница /95/.
А. Классен, Р. Хилл и Е. Лартер указывают на постоянное снижение количества восстанавливающих Сахаров у пшеницы Манитоба и 2-х линий тритикале 6531 и 6А 320, начиная с влажности зерна 50-55% до полной зрелости. Исключение составляют самые последние стадии (влажность зерна 30-35 %), когда наблюдается некоторое увеличение этого показателя. У линии тритикале 6А 190 это возрастание в содержании восстанавливающих Сахаров в конце созревания происходит очень резко и совпадает с возрастанием активности а-амилазы в этот период. Но корреляции между количеством свободных Сахаров у тритикале и активностью а-амилазы авторы не отмечают /101,102/. На всех стадиях развития содержание Сахаров у тритикале было выше, чем у пшеницы. Р.Бекер и К.Лоренс отмечают, что у 4-х сортов тритикале, 3-х сортов пшеницы и 1 сорта ржи, по мере созревания содержание сахарозы увеличивается в несколько раз. В зерне тритикале были обнаружены триса-хариды, количество которых по мере созревания увеличивалось и тетрасаха-риды, содержание которых снижалось /104/.
Ко времени молочной спелости в зерне тритикале накапливается различное количество Сахаров, которое зависит от сорта и почвенно-климатических условий произрастания. Так в зерне тритикале может накапливаться до 3 - 5 % спирторастворимых Сахаров, из которых примерно 70 % составляют олигосахариды, до 7 % фруктоза, 2-5 % глюкоза, 3-4 % сахароза и 3-7 % мальтоза /82/.
Значение олигосахаридов в зерне довольно велико, так как это предопределяет его зимостойкость. Установлено, что коэффициент корреляции между морозостойкостью и содержанием олигосахаридов составляет примерно 0,9 при коэффициенте детерминации 81 %. Особенностью свободных Сахаров тритикале, приближающей тритикале ко ржи, является наличие в пшенично-ржаных гибридах трифруктозидов, характерных для зерна ржи. В литературе почти отсутствуют сведения о слизистых веществах тритикале. Е. Древе с соавт. /97/, изучая технологические достоинства тритикале, показали, что по содержанию общих пентозанов гибриды превышают родительские формы, количество растворимых пентозанов и вязкость водорастворимых веществ у тритикале промежуточное между пшеницей и рожью. Имеются отдельные сообщения о несколько повышенном или равном содержании водорастворимых пентозанов /96/ в зерне тритикале в сравнении с пшеницей. Ферменты зерна тритикале. Амилазы. Из всех ферментов тритикале наибольшее значение имеют амилазы, обеспечивающие биохимические процессы в прорастающем зерне и играющие важную роль при дальнейшей переработке солода /30,90/. Одной из отличительных особенностей тритикале 14 наличие активной а-амилазы по сравнению со стандартными сортами пшеницы, ржи и ячменя, выращенных в тех же условиях, которая была в 8,4 раза выше, чем у пшеницы, в 9,3 раза больше, чем у ржи ив 10,2 раза выше, у ячменя/83,99/.
Технология производства ферментированного и неферментированного солодов
Замачивание зерна для приготовления солода Обычно зерновые злаки содержат 12 - 15 % влаги (конституционной воды); при такой влажности зерно не прорастает. Для прорастания зерна необходимо повысить содержание в нем влаги до 40 - 47 %. Необходимая влажность достигается замачиванием или орошением зерна водой /31/. Замочка зерна является очень важным этапом соложения, так как условия ее проведения оказывают влияние на процесс проращивания, его длительность, на потери при соложении и, на конец, на качество получаемого солода. Этот технологический процесс не может рассматриваться как самостоятельный, в отрыве от общего процесса соложения, а является его первой стадией /24/.
В не проросшем зерне часть воды входит в состав макромолекул и гид-ратационно связывается составными частями клеток, прежде всего белками. Эта вода по своим свойствам несколько отличается от обычной воды (не за 26 мерзает при О С, не действует как растворитель на низкомолекулярные вещества). Часть воды связана между волокнистыми структурами, молекулами и мембранами клеток, и так же не определяет интенсивности обмена веществ в организме. И только вода, находящаяся в межклеточных пространствах в свободном состоянии, реакционно способна: она транспортирует питательные вещества к зародышу и алейроновому слою, участвует в гидролитическом расщеплении макромолекул организма /1О/.
Важнейшим предварительным условием для прорастания семян являются: достаточная влажность, соответствующая температура и наличие кислорода. Таким образом, с повышением температуры воды, продолжительность замачивания зерна сокращается. Однако, при температуре больше 15 С происходит активное развитие микроорганизмов, для их ингибирова-ния в промышленности широко применяют антисептики, которые одновременно являются стимуляторами роста зерна. Максимальной считается температура замачивания 30 С /31/.
По классической технологии температура замочной воды должна быть в пределах 10 - 14 С; в последние годы за рубежом рекомендуется ее повышать до 15 - 21 С. Повышение температуры прежде всего увеличивает скорость диффузии молекул воды внутрь зерна и миграцию ее в отдельные части, интенсифицирует течение всех биохимических превращений, в том числе и дыхание, что благотворно сказывается на жизнедеятельности зародыша /32/.
При хранении, замачивании и последующем проращивании зерна ему кроме воды, необходим кислород - энергия, обеспечивающая нормальный тип обменных реакций и синтетические процессы новых вегетативных форм растения /24/. Образующийся в процессе дыхания зерна диоксид углерода оказывает постоянное тормозящее действие на рост зерна в процессе замачивания. Поэтому во время воздушных пауз его необходимо удалять.
Дыхание зерна и потребность его в кислороде усиливается с повышением его влажности. Из каждой молекулы потребляемого кислорода при дыхании зерна образуется одна молекула диоксида углерода. Коэффициент ды 27 хания (VC02/V02) при этом равен единице /32/. Вопрос аэрации зерна, применение мощной аэрации под давлением благоприятствует замачиванию. При этом сокращаются сроки солодоращения, увеличивается производительность и снижается его себестоимость.
При замачивании в непрерывном токе воды и воздуха необходимая влажность достигается быстрее, чем при замачивании воздущно-водяным способом, т.е. попеременно в воде и на воздухе.
Отрицательное влияние углекислого газа на жизненные процессы зерна особое значение имеет в начальной стадии замачивания. Есть мнение, что продувание зерна воздухом в начале замачивания имеет для быстрого и равномерного прорастания большее значение, чем продувание в течение всего процесса замачивания.
На скорость замачивания влияет также соловой состав замочной воды. В мягкой воде зерно замачивается быстрее, чем в жесткой. Поэтому для замачивания зерна стараются брать воду жесткостью до 7 мг-экв/дм3 /24/.
Особенно сильное отрицательное влияние на скорость процесса замачивания, что подтвердили Г.И. Фертман и Л.М. Коршена, оказывают хлориды, а наиболее быстро протекает этот процесс в воде, содержащий сульфат калия. В свою очередь, перманганат калия, формалин и некоторые другие вещества при замачивании действуют не только как антисептики, но и как стимуляторы, способствующие улучшению прорастания зерна /32/.
Возбуждающее действие на прорастание зерна в конце процесса замачивания оказывают биологические стимуляторы роста и развития растений. К таким стимуляторам относится группа веществ, состоящая из гибберелли-нов А[, Аг, А3 и At. Наиболее активен гиббереллин А3 (С19Н22О6) - гибберел-линовая кислота, которая стимулирует выход семян из состояния покоя и используется для ускорения их проращивания. Гиббереллин активизирует действие амилолитических, протолитических и других ферментов /90/.
Выбор оптимального режима солодоращения тритикале
Исследование изменения содержания аминокислот
Для определения оптимального способа проращивания тритикале, были выбраны три основных температурных режима, представленные в таблице 3.4. При приготовлении неферментированного солода продолжительность солодоращения принимаем пять суток. По предварительным данным, полученным в п.3.2, значительное накопление гидролитических ферментов происходит до пятых суток проращивания. Таблица 3.4.
При приготовлении ферментированного солода продолжительность со-лодоращения принимаем четверо суток, так как следующим технологическим процессом является ферментация (томление), при котором складываются благоприятные условия для накопления и действия ферментов солода.
В качестве контроля использовали традиционный режим проращивания (режим 1), разработанный НПО ПБП /9/. По литературным данным, существует достоверная взаимосвязь между повышением температуры проращивания и ускорением растворения эндосперма и белковых веществ зерна. Поэтому, целесообразно провести процесс солодоращения с увеличением температуры к концу проращивания (режим 2). Нисходящий режим проращивания, то есть с понижением температуры к концу процесса, ведет к снижению потерь сухих веществ на дыхание и развитие корешков и ростков зерна (режим 3).
Так как скорость накопления гидролитических ферментов определяет длительность процесса приготовления солода и его качественные показатели, ежесуточно отбирали пробы прорастающего тритикале, в которых определяли влажность, активность а- и р-амилазы, протеолитическую активность.
Изменение величины активности а-амилазы тритикале изучаемого сорта в процессе проращивания по исследуемым режимам представлено на рис.3.4. Как видно из рис. 3.4, активность а-амилазы резко возрастает по всем режимам до четвертых суток ращения, а затем прирост ее не значителен. Наибольшее количество накапливается к концу проращивания по второму режиму (126 ед.). Максимальное значение активности по этому режиму выше, чем по первому на 17,2%, а по третьему на 33,3%. Очевидно, повышение температуры проращивания вызывает ускоренный синтез а-амилазы, вероятно, за счет увеличения скорости диффузии гибберелино подобных веществ к клеткам алейронового слоя.
Увеличение активности Р-амилазы в процессе соложения тритикале по трем режимам представлено на рис 3.5. По традиционному режиму (режим 1) и с понижением температуры (режим 3) накапливается меньшее количество Р-амилазы (25,5 и 26,3 ед.), чем по второму режиму (повышение температуры к концу проращивания (режим 2), 29,8 ед.). Это объясняется тем, что активность р-амилазы, которая находится в зерне тритикале в неактивной форме, блокированная белковыми веществами, в большой степени зависит от количества белка и активности протеолитических ферментов, расщепляющий бе-лок-репрессор. По второму режиму на пятые сутки ращения значение активности р-амилазы выше, чем по первому на 12,72% и третьему на 14,43%.
Активность протеолитических ферментов представлена на рис. 3.6. в процессе солодоращения. Максимум активности протеаз у исследуемого образца по первому режиму приходится на четвертые сутки ращения (39 ед.), а по второму режиму на третьи сутки ращения (44,5 ед.). По третьему режиму проращивания максимум активности приходится также на четвертые сутки солодоращения и составляет 42 ед. Є %
Изменение протеолитической активности при проращивании. Следовательно, с повышением температуры протеолитические ферменты в большей степени расщепляют белковые вещества зерна, тем самым высвобождая большее количество (3-амилазы.
Изучаемый образец тритикале Тальва 100 проращивали в лабораторных условиях по каждому приведенному режиму. Изучение динамики накопления амилолитических и протеолитических ферментов в процессе солодо-ращения по трем различным режимам показало, что активность ферментов зерна тритикале Тальва 100 достигает наибольших значений и за более короткое время при проращивании солода по второму режиму.
