CC BY
131
УДК 663.43 В.А. Помозова, А.Н. Потапов, У.С. Потитина, М.В. Просин
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЗАТИРАНИЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ПИВА
В статье представлена усовершенствованная технология производства пива с использованием механохимической активации зернопродуктов в роторно-пульсационном аппарате на стадии затирания.
Ключевые слова: производство пива, процесс затирания, механохимическая активация, роторно-пульсационный аппарат.
V.A. Pomozova, A.N. Potapov, U.S. Potitina, M.V. Prosin MASHING PROCESS IMPROVEMENT FOR BEER PRODUCTION
The improved technology for beer production with grain products mechanical activation use in rotary pulsating apparatus at the stage of mashing is presented in the article.
Key words: beer production, mashing process, mechanical activation, rotor pulsating apparatus.
Введение. Решить проблему повышения эффективности производства пива на современном этапе развития экономики невозможно без привлечения новых инновационных технологий и современного высокоэффективного оборудования.
В настоящее время в различных отраслях промышленности, в том числе и при переработке зерна, все большее распространение находят мельницы тонкого помола и механохимические активаторы, позволяющие обеспечить более глубокую переработку сельскохозяйственного сырья. Такие способы позволяют максимально использовать в производстве помимо крахмала белки, липиды, свободные сахара, органические кислоты, аминокислоты, витамины зерна и при этом экономить сырье, топливо, вспомогательные материалы. Механическая обработка ускоряет процессы диспергирования, экстрагирования, гидролиза компонентов зерна, сокращая время технологических операций [1].
В ряде отраслей промышленности нашли широкое применение роторно-пульсационные аппараты (РПА), которые сочетают принципы работы центробежного насоса, дисмембратора, дезинтегратора и коллоидной мельницы. РПА используют при переработке растительного сырья, в том числе и зернопродуктов. Аппараты такого типа применяют на стадии подготовки сырья в спиртовом производстве, и это направление активно развивается. РПА обеспечивает активный гидродинамический режим, эффективные турбулизации и пульсации потока, кавитационные эффекты [2, 3].
Эффективность переработки сырья с использованием РПА достигается за счет одновременного протекания процессов доизмельчения помола зерна, растворения и гидролиза крахмала. Все эти процессы проходят с высокой скоростью массообмена в условиях механокавитационного воздействия на водно-зерновую смесь [3]. Кроме того, в результате обработки происходит увеличение растворимости биополимеров зерна, что обусловлено укорачиванием цепей (снижением молекулярной массы) и появлением новых концевых групп и звеньев [4].
Установлено, что механодеструция крахмала не только облегчает его распад под действием р-амилазы, но и увеличивает глубину распада, повышая примерно на 10 % границы осахаривания. Изменение устойчивости к определенному воздействию в результате механодеструктивных превращений полимеров основывается на изменении свойств субстрата в результате действия механических сил в данных условиях. К наиболее типичным изменениям, кроме снижения молекулярной массы, относятся разрыхление -аморфизация структуры, изменение химического строения и появление новых функциональных групп, изменение конформации, пластичности и растворимости [4].
Цели исследований. Доказать возможность замены традиционного оборудования для затирания на РПА.
Задачи исследований:
• исследовать влияние режимных параметров на процесс затирания;
• определить рациональные режимы ведения процесса;
• изучить процесс брожения и кинетические показатели роста дрожжей;
• исследовать качество готового напитка.
Методы исследований. В качестве объектов исследования использовали солод ячменный пивоваренный по ГОСТ 29294-92; пивное сусло, полученное традиционным способом и путем обработки заторов на РПА; дрожжи; готовое пиво; воду питьевую (ГОСТ 2874). При проведении экспериментов применяли современные физико-химические, биохимические и микробиологические методы исследования. Готовое пиво анализировали по ГОСТ 12787-8, ГОСТ 12788-87, ГОСТ 12789-87, ГОСТ 30060-93.
Обработка заторов осуществлялась в РПА [5]. Отличительной особенностью данного аппарата от традиционных конструкций является установка направляющих лопастей в области между зубьями ротора и внутренней стенкой корпуса. Это позволяет осуществить направленное движение материальных потоков, что увеличивает продолжительность обработки сырья в рабочей зоне за счет многократного прохождения обрабатываемого продукта через прорези ротора и статора. Кроме этого, установка направляющих лопастей приводит к снижению потребляемой энергии (приблизительно на 5%). Это можно объяснить снижением гидравлических сопротивлений при движении потока в области между зубьями ротора и внутренней стенкой корпуса.
Таблица 1
Техническая характеристика экспериментальной установки
Характеристика Значение
Производительность, м3/ч 0,050-0,100
Объем РПА, м3 1,12-10 -3
Передаточное число клиноременной передачи, с1 1,47
Частота вращения ротора До 418,67
Межцилиндровый зазор, м 0,1-10-3 - 0,5-10-3
Количество отверстий в ступице ротора, шт. 4
Общая площадь отверстий в ступице ротора, м2 0-0,0038465
В ходе работы было установлено влияние обработки заторов в РПА на качество пивного сусла и определены рациональные параметры технологического процесса. В качестве рациональных параметров при проведении экспериментов были приняты: частота вращения ротора - 1450 об/мин, величина межцилиндро-вого зазора - 0,2-103 м, количество направляющих лопастей - 4, продолжительность обработки - 10 мин, коэффициент загрузки сырья - 0,9.
Рациональные параметры процесса были получены в ходе предварительных исследований с использованием метода планирования экспериментов.
Для выбора частоты вращения ротора и количества направляющих лопастей определяющим фактором являлась величина потребляемой энергии. При частоте вращения менее 1000 об/мин не наблюдалось ярко выраженных ультразвуковых воздействий. Также было отмечено резкое снижение интенсивности процесса, хотя затраты энергии находились на сравнительно низком уровне. Увеличение частоты вращения ротора свыше 1500 об/мин приводит к резкому возрастанию количества потребляемой энергии без существенного улучшения технологических показателей процесса затирания. Количество устанавливаемых лопастей также связано с расходом энергии. Увеличение числа лопастей до более четырех приводит к росту потребляемой энергии. Уменьшение количества лопастей до трех и менее приводит к снижению затрат энергии на осуществление процесса.
При определении величины межцилиндрового зазора в качестве основного параметра использовали степень измельчения частиц твердой фазы. Переизмельчение твердых частиц ведет к увеличению времени фильтрования сусла, что увеличивает продолжительность всего технологического процесса. Увеличение зазора между ротором и статором уменьшает степень воздействия рабочих органов аппарата на обрабатываемый продукт и в итоге снижает выход экстрактивных веществ из-за более крупного размера частиц твердой фазы.
Продолжительность обработки сырья в РПА, так же как и температурный режим процесса, определялась технологическими требованиями. Данные показатели характеризуют скорость и время проведения необходимых биохимических процессов, что влияет на качество и органолептические показатели конечного продукта. Время осахаривания лабораторного сусла в среднем составляет 15 минут. Представляло интерес выяснить, может ли обработка в РПА сократить время осахаривания до 10 минут.
Коэффициент загрузки сырья определялся технологическими показателями и связан с производительностью аппарата.
Результаты исследований. Затирание является важнейшим процессом производства сусла, цель которого заключается в переводе нерастворимых веществ солода в растворимые. Решающее значение при этом приобретает процесс превращения веществ. По экономическим соображениям большинство нерастворимых соединений пытаются перевести в растворимые, чтобы получить как можно больше экстракта. Однако имеет значение не только количественное содержание, но и качество экстракта, так как присутствие определенных соединений (например, дубильных веществ из оболочек) весьма нежелательно, тогда как другие соединения (например, определенные сахара или продукты расщепления белков) совершенно необходимы [6].
На процесс затирания зернопродуктов оказывают влияние различные факторы: температура, длительность процесса, концентрация затора и др. Особое значение имеет температурный режим, который и определяет ход биохимических превращений. Затор выдерживают при различных температурах, которые являются оптимальными для действия солодовых ферментов: 62-65оС - оптимум действия р-амилазы; 72-75оС оптимум для фермента а-амилазы; 45-50оС - оптимум действия протеаз [6]. Для проведения эксперимента в РПА выбран диапазон температур 65-80оС с начальной температурой затирания 65оС, так как интервал 65-76оС является оптимальным для гидролиза крахмала амилолитическими ферментами. Число Кольбаха солода, используемого в эксперименте, составляет 42%, т.е. солод растворен очень хорошо, следовательно, диапазона 65-70оС будет достаточно для гидролиза белка. При этой температуре в большей степени образуются высокомолекулярные продукты расщепления белковых веществ, которые считаются обеспечивающими пеностойкость [6].
На процесс расщепления крахмала оказывает влияние концентрация затора. В относительно жидких заторах в раствор переходит больше экстракта, однако более плотные заторы защищают ферменты от слишком быстрой термической инактивации (благодаря защитному действию коллоидных частиц затора и растворенных веществ). Благодаря этому в более плотных заторах повышается количество сбраживаемых сахаров [6]. В последнее время на пивоваренных предприятиях широко распространено высокоплотное пивоварение, суть которого заключается в переработке высококонцентрированных заторов. Этот способ намного повышает эффективность производства за счет большего накопления сухих веществ в сусле, экономии сырья и энергоресурсов. Имеются данные, что снижение гидромодуля обрабатываемого в РПА замеса в спиртовом производстве положительно влияет на процесс накопления сухих веществ [2]. Таким образом, для экспериментальных заторов выбран гидромодуль 1:3.
Параметры обработки опытных заторов в РПА приведены в таблице 2.
Таблица 2
Параметры обработки заторов в РПА
Параметр Опыт 1 Опыт 2 Опыт 3
Температура воды, подаваемой на затирание, оС 65 65 65
Температура в рубашке, оС 80 70 65
Температура затора на выходе из аппарата, оС 82 76 70
Время обработки, мин 10 10 10
Коэффициент загрузки аппарата 0,9 0,9 0,9
Частота вращения ротора, об/мин 1450 1450 1450
Величина нагрузки на двигатель, А 9 9 9
Контрольный образец сусла готовили настойным способом затирания с выдержкой затора при температурах 52, 63, 72оС в течение 30 минут и 15 минут при температуре 78оС.
Результаты экспериментов приведены в таблице 3.
Таблица 3
Сравнительный анализ физико-химических показателей контрольного сусла и сусла, полученного
путем обработки затора в РПА
Показатель Контроль Опыт 1 Опыт 2 Опыт 3
Йодная проба, цвет взаимодействия Желтый Желтый Желтый Желтый
Содержание сухих веществ, % 21,5 21,5 20,9 20,0
Содержание аминного азота, мг/100 г сухих веществ 273,3 226,5 320,3 283,1
Содержание фракции белка А, мг/100 г сухих веществ 188,6 115,4 108,3 106,0
Содержание полифенолов, мг/100 г сухих веществ 1569,8 680,5 665,2 677,0
Мутность, ед.опт. плотн. 0,46 0,44 0,34 0,30
Как видно из представленных данных, обработка заторов в РПА в течение 10 минут является достаточной для осахаривания затора и накопления необходимого количества сухих веществ, приводит к более полному расщеплению белка, снижает экстракцию полифенолов.
Анализируя полученные данные по влиянию обработки заторов в РПА на физико-химические показатели сусла, выявили, что наиболее благоприятными условиями для протекания процесса являются параметры опыта 2. При использовании таких условий обработки на 17 % увеличилось содержание аминного азота, на 43 % снизилось содержание высокомолекулярной фракции белка А и на 68 % уменьшилось количество полифенольных веществ, мутность сусла снизилась на 26 %.
С целью контроля процесса брожения готовили охмеленное сусло, полученное обработкой затора в РПА с выбранными рациональными параметрами, и сбраживали его дрожжами. Экстрактивность начального сусла контрольного и опытного образцов составила 11 %. В обоих случаях наблюдалась высокая скорость сбраживания: продолжительность процесса составила 6 суток.
Более полную информацию о брожении можно получить с помощью расчетных кинетических показателей процесса, которые приведены в таблице 4.
Таблица4
Основные показатели роста дрожжевой культуры
Показатель Контроль Опыт
Удельная скорость роста, ч-1 0,0099 0,0137
Константа скорости деления, кл/ч 0,0275 0,0653
Время генерации, ч-1 36,36 15,31
Время удвоения биомассы, ч 70,0 50,6
Экономический коэффициент 0,17 0,34
Метаболический коэффициент 0,058 0,040
Урожай, млн кл. 8,5 20,1
Скорость сбраживания, ч 20,8 15,0
Скорость сбраживания, % сухого вещества/ч 0,048 0,067
Точка флокуляции, % 18,6 43,2
Удельная скорость роста характеризует прирост биомассы в единицу времени. Этот показатель в опытном образце превышает контроль на 38 %, константа скорости деления превышает контроль на 137 %.
Время генерации опыта снижено по сравнению с контролем на 58 %. Время удвоения биомассы (скорость роста) - среднее время генерации, которое соответствует времени, необходимому для удвоения популяции дрожжей. Этот показатель опытного образца ниже контрольного на 28 %.
Экономический коэффициент характеризует потребление субстрата дрожжами. Чем выше экономический коэффициент, тем меньше дрожжи потребили субстрата, т.е. тем эффективнее идет процесс. Экономический коэффициент опытного образца выше контроля на 100 %. Метаболический коэффициент характери-
зует образование спирта (чем ниже этот показатель, тем эффективнее протекает брожение) в опытном сусле на 100 % выше контрольного.
Скорость сбраживания (время, необходимое для сбраживания 1 % экстракта) опытного образца снижена по сравнению с контролем на 30 %. Точка флокуляции (сброженность сусла к моменту, когда биомасса, находящаяся в суспензии, максимальна) превосходит контрольный на 132 %.
Приведенные кинетические показатели роста дрожжевой культуры дают основание сделать вывод о том, что обработка затора в РПА положительно повлияла на процесс спиртового брожения. Показатели качества готового пива представлены в таблице 5.
Таблица 5
Физико-химические показатели готового пива
Показатель Контроль Опыт
Объемная доля спирта, % 4,0 4,2
Кислотность, к.ед. 2,3 2,2
Цвет, ц.ед. 0,9 0,7
Как видно из таблицы, опытное пиво выгодно отличается от контрольного по содержанию спирта - на 5 %, незначительно отличается по кислотности и цвету.
Дегустационная оценка готового пива показала, что опытное пиво отличается чистым, полным, гармоничным вкусом и получило высокую оценку.
Таким образом, обработка заторов в РПА повышает эффективность производства пива за счет большего извлечения экстрактивных веществ солода, экономии сырья, также улучшает качество пивного сусла, положительно влияет на процесс брожения и качество готового напитка.
Выводы. Показана возможность замены традиционного оборудования для проведения процесса затирания на РПА с направляющими лопастями. Определены рациональные параметры и исследовано их влияние на проведение процесса затирания. Изучены процесс брожения и кинетические показатели роста дрожжей. Получен конечный продукт и исследовано его качество.
Литература
1. Механохимия в решении экологических задач: аналит. обзор/ Ин-т химии твердого тела и механохимии СО РАН, Новосиб. гос. ун-т, Научно-образовательный центр «Молекулярный дизайн и экологически безопасные технологии». - Новосибирск, 2006. - Вып. 79.
2. Калинина О.А., Леденев В.П., Крикунова Л.Н. Разработка высокоэффективной, малоотходной технологии этанола из зерна ржи на основе механокавитационной обработки. I. Стадия приготовления замеса // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2002. - № 6. - С. 35-40.
3. Журба О.С., Поляков В.А., Леденев В.П. Технология этанола из целого зерна пшеницы на основе интенсивных способов обработки сырья // Производство спирта и ликероводочных изделий. - 2004. - № 1. -С. 14-17.
4. Барамбойм Н.К. Механохимия высокомолекулярных соединений. - М.: Химия, 1978. - 384 с.
5. Патент № 2397793. Роторно-пульсационный экстрактор с направляющими лопастями / А.Н. Потапов, Е.А. Светкина, А.М. Попик, М.В. Просин.
6. Кунце В., Мит Г. Технология солода и пива. - СПб.: Профессия, 2001.
---------♦'----------
