Разработка способа применения электрохи ми ч е ски активированной воды в т ехнологии пива и безалкогольных напи т ков
На правах рукописи
КОЗЛОВ ИГОРЬ ВЛАДИМИРОВИЧ
РАЗРАБОТКА СПОСОБА ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОХИмиЧеСКИ АКТИВИРОВАННой воды в ТЕХНОЛОГИИ пива и безалкогольных НАПИТКОВ
Специальность 05.18.07 – Биотехнология пищевых продуктов
(пивобезалкогольная, спиртовая и винодельческая промышленности)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2009
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет пищевых производств» на кафедре «Органическая и пищевая химия»
Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент
Ипатова Лариса Григорьевна
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Ермолаева Галина Алексеевна
доктор технических наук, профессор
Токаев Энвер Саидович
Ведущая организация:
Государственное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности» РАСХН (ГУ ВНИИ ПБиВП РАСХН)
Защита состоится «23»декабря 2009 г. в_____ч. на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.148.04 при ГОУВПО «Московский государственный университет пищевых производств» по адресу: 125080, Москва, Волоколамское шоссе, д. 11, ауд. 3-101.
Приглашаем Вас принять участие в заседании Совета или прислать отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, по указанному адресу на имя ученого секретаря Совета.
Автореферат размещен на сайте www.mgupp.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО МГУПП.
Автореферат разослан «23» ноября 2009 г.
Ученый секретарь
Совета Д 212.148.04
доктор технических наук, профессор Е.В. Крюкова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В настоящее время технологии производства напитков брожения – пива и кваса, относящихся к популярным продуктам массового потребления, широко распространены на предприятиях малой производительности. Качество воды, применяемой в бродильных производствах, должно отвечать особым требованиям, обеспечивать при сбалансированном составе макро- и микроэлементов отсутствие микроорганизмов, хлора, тяжелых металлов и других токсических элементов, органических контаминантов.
Большое значение качество и физико-химические свойства воды имеют для сравнительно нового сегмента рынка напитков – напитков функционального назначения, содержащих функциональные ингредиенты, способные при регулярном потреблении улучшать состояние здоровья и, тем самым, помогающие устранению микронутриентной недостаточности в пищевых рационах различных групп населения. Перспективность этой группы напитков определяется постоянством физиологических норм потребления воды в отличие от норм потребления белков, жиров и углеводов, которые периодически пересматриваются в связи с изменением образа жизни и питания человека.
При создании функциональных напитков основное внимание уделяется их ингредиентному составу, который формируется путем обогащения, комбинирования жидких основ или модификации водной фазы. Одним из перспективных компонентов для получения комбинированных напитков, обогащенных функциональными ингредиентами, является квас.
Как правило, состав и свойства воды, используемой в качестве основы функционального напитка, специально не корректируются. В то же время сегодня существуют способы и устройства, позволяющие изменять состав и свойства воды в широких пределах. Таким современным и актуальным способом является электрохимическая активация (ЭХА), позволяющая направленно регулировать физико-химические свойства воды и водных растворов без введения каких-либо химических реагентов. Изменение состава и свойств жидкой основы напитков может изменять стабильность и эффективность функциональных ингредиентов в их составе, влиять на процесс производства напитков. В то же время, направленное изменение состава и свойств исходной воды является способом формирования заданных свойств функционального напитка.
Актуальность данной работы определяется использованием при разработке напитков воды, активированной в современных электрохимических установках ИЗУМРУД, обеспечивающих направленное изменение свойств воды, в т.ч. значения рН и окислительно-восстановительного потенциала. Отличительной особенностью и преимуществом таких установок является их эффективность при уничтожении микроорганизмов всех видов и форм и разрушении микробных токсинов. Процесс очистки и кондиционирования воды в установках ИЗУМРУД сопровождается удалением ионов тяжелых металлов и разрушением загрязняющих воду фенолов, гербицидов, пестицидов.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы являлась разработка способа применения электрохимически активированной воды (ЭХА-воды) в технологии пива и безалкогольных напитков. Поставленная цель предусматривала решение следующих задач:
- выбор системы электрохимической активации (ЭХА-системы) для применения на стадии водоподготовки;
- исследование режимов работы ЭХА-системы, обеспечивающих получение необходимых параметров;
- выбор и обоснование видов напитков для исследования;
- исследование влияния ЭХА-воды на процессы брожения при изготовлении кваса и пива из концентратов сусла;
- разработка способа получения кваса из концентрата квасного сусла с применением ЭХА-воды;
- выбор и обоснование функциональных ингредиентов для обогащения напитков на основе ЭХА-воды;
- исследование влияния ЭХА-воды на функциональные ингредиенты в модельных напитках;
- разработка рецептур и технологий напитков на основе ЭХА-воды, обогащенных физиологически функциональными ингредиентами - пищевыми волокнами и антиоксидантом эпигаллокатехингаллатом;
- разработка технологической документации на функциональные напитки, полученные на основе ЭХА-воды.
Научная новизна.
Впервые установлены различия спектральных характеристик воды, полученной при разных режимах электрохимической обработки, свидетельствующие о снижении содержания активного хлора в исследованных образцах ЭХА-воды.
Выявлены особенности реологических свойств растворов гидроколлоидов в ЭХА-воде, установлена неизменность вязкости растворов гуммиарабика по сравнению с контрольными образцами, что позволяет прогнозировать формирование заданной консистенции напитков.
На примере гуммиарабика впервые показано, что электрохимическая обработка воды обеспечивает стабилизацию растворенного кислорода в растворах гидроколлоида разной концентрации.
Впервые установлено, что независимо от концентрации, растворы антиоксиданта эпигаллокатехингаллата в воде, обработанной электрохимическим способом, проявляют большую устойчивость по сравнению с растворами того же вещества в дистиллированной воде.
Установлено, что в модельных напитках, приготовленных из концентрата квасного и пивного сусла, разбавленного ЭХА-водой, процесс брожения идёт более интенсивно, наблюдается значительный рост общего числа дрожжевых клеток, улучшается их жизнеспособность и бродильная активность.
Практическая значимость. Научно обоснован, выбран и усовершенст-вован тип установок ИЗУМРУД для электрохимической активации воды; разработаны режимы и условия обработки воды, предназначенной для использования в составе напитков.
Научно обоснована и экспериментально доказана эффективность применения метода электрохимической активации в технологии производства напитков брожения – пива и кваса.
Разработаны рецептура и технология получения кваса из концентрата сусла с применением в качестве системы водоподготовки установок электрохимической активации.
Разработаны рецептура и технология получения комбинированного напитка на ЭХА-воде, включающего квас и соковую основу, обогащенного гуммиарабиком и эпигаллокатехингаллатом зеленого чая.
Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации доложены на V международной конференции «Высокоэффективные пищевые технологии» (Москва, 12-19 ноября 2007г.), VI международной научно-практической конференции и выставке «Технологии и продукты здорового питания. Функциональные пищевые продукты» (Москва, 7-10 октября 2008 г.), на конкурсе молодых учёных в рамках X Всероссийского конгресса диетологов и нутрициологов «Питание и здоровье» (Москва, 1-3 декабря 2008 г.), на VII Международной научно-технической конференции «Техника и технология пищевых производств» (Могилёв, 21-22 мая 2009 г.), VII Международной научно-практической конференции и выставке «Технологии и продукты здорового питания. Функциональные пищевые продукты» (Москва, 7-8 октября 2009 г.)
Публикации. Основное содержание диссертационного исследования опубликовано в 6 работах, в том числе, 2 из них - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 152 страницах основного текста, в том числе, содержит 39 рисунков и 21 таблицу. Список литературы включает 147 источников информации.
Исследования проводились в лабораториях кафедры «Органическая и пищевая химия» и кафедры «Процессы ферментации и промышленного биокатализа» ГОУ ВПО «МГУПП», в лаборатории электротехнологий ВНИИИМТ.
Автор выражает глубокую признательность зав. кафедрой ««Процессы ферментации и промышленного биокатализа» МГУПП д.т.н., профессору М.В. Гернет за ценные советы и оказанную помощь при выполнении работы.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы ее новизна и практическая значимость, дана краткая характеристика современных направлений разработки напитков.
В первой главе представлен обзор литературы, в котором рассмотрены основные этапы технологии напитков брожения, таких как квас и пиво. Проанализированы способы водоподготовки в технологиях напитков. Изложены современные возможности и методы водоподготовки. Подробно описан метод электрохимической активации воды как технологический прием управления свойствами и характеристиками воды, создания полезных для здоровья водных растворов широкого спектра применений; проанализированы различные виды функциональных напитков, описаны физиологически функциональные ингредиенты, применяемые для обогащения напитков. На основе проведённого анализа сформулированы цели и задачи исследования.
Во второй главе представлена структурная схема (рис. 1), даны описания объектов, материалов и методов исследования.
Выбор объектов и методов исследований обусловлен целью и задачами диссертационной работы – исследованием свойств электрохимически активированной воды и разработкой способа ее применения на стадии водоподготовки в технологии напитков брожения и напитков, обогащенных функциональными ингредиентами.
В качестве сырья были выбраны концентрат квасного сусла «Квас домашний» (ГОСТ 28538-90), концентрат пивного сусла «Традиционное» (Oy Maltax Ab, Финляндия), концентрированные фруктовые соки и пюре; в качестве физиологически функциональных ингредиентов выбраны препараты гуммиарабика Fibregum, Thixogam (CNI, Франция), высокоочищенный экстракт зеленого чая Teavigo (DSM Nutricional Products, Швейцария).
Анализ воды выполняли с помощью общепринятых методов определения рН, окислительно-восстановительного потенциала, концентрации растворенного кислорода. Исследование спектральных характеристик воды проводили на приборе спектрофотометр DR/4000U (диапазон длин волн – 190 – 1100 нм) фирмы НАСН, США в диапазоне 260 – 400 нм с интервалом 2 нм. Результаты поглощения записывали в единицах, обозначаемых АВS; диапазон оптической плотности составлял -3.0 … +3.0 ABS; толщина кюветы – 1см. Общее количество остаточных оксидантов определяли методом молекулярного адсорбционного анализа, основанного на поглощении электромагнитных излучений молекулами и сложными ионами в ультрафиолетовой и видимой областях спектра (260 – 400 нм).
Антиоксидантную активность экстракта зеленого чая определяли методом, основанным на способности антиоксидантов ингибировать окисление ABTS - 2,2’-азиноди-[3-этилбензотиазолин сульфоната] в ABTS+ метмиоглобин пероксидазой (CALBIOCHEM, EMD Biosciences inc., Мerck KGaA, Германия). Вязкость растворов гидроколлоидов измеряли вискозиметрическим методом. При анализе качества концентратов квасного и пивного сусла, а также концентрированных соков и пюре определяли содержание сухих веществ с помощью сахаромера или рефрактометрически, кислотность - титриметрическим методом. Количество дрожжевых клеток определяли методом подсчета в камере Горяева; количество клеток с гликогеном и мертвых клеток - стандартным методом после окрашивания.
Основными объектами исследования служили образцы электрохимически активированной воды, полученной при различных режимах обработки, растворы гидроколлоидов и антиоксиданта в ЭХА-воде, а также напитков, изготовленных с применением ЭХА-воды.
Исследования проводили в 3-кратной повторности, обработку экспериментальных данных осуществляли методами математической статистики.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В третьей главе обосновано применение ЭХА-воды в составе напитков. В процессе стандартной схемы подготовки воды из муниципальной водопроводной сети на централизованных станциях водоподготовки используются химические агенты для очистки воды (коагулянты, флокулянты, дезинфектанты, регуляторы щелочности). Свой негативный вклад вносит также загрязнение воды в процессе ее транспортирования к месту использования по протяженным, постоянно разъедаемым биологической и химической коррозией водоводам, покрытым изнутри биопленкой, которая содержит разнообразные микроорганизмы и микробные токсины. Доведение качества воды до нормативов применения в пищевой промышленности регламентируется ГОСТ Р 52190-2003, в соответствии с которым вода должна быть подвергнута «умягчению, обессоливанию, обезжелезиванию или фильтрованию» и содержать определенное количество минеральных и органических веществ. Одним из главных этапов подготовки воды для производства напитков, особенно напитков брожения, является обеспечение микробиологической чистоты воды, представляющее собой трудновыполнимую задачу для современных систем водоподготовки.
К альтернативным способам подготовки воды относятся безреагентные системы очистки и кондиционирования воды, в частности, электрохимические установки ИЗУМРУД, зарегистрированные в Государственном реестре медицинской техники. Их отличительными особенностями являются сохраняющаяся в течение продолжительного времени способность к уничтожению широкого спектра микроорганизмов и к разрушению микробных токсинов, а также возможность коррекции рН и окислительно-восстановительного равновесия воды. Процесс очистки и кондиционирования воды в установках ИЗУМРУД сопровождается удалением ионов тяжелых металлов, разрушением фенолов, гербицидов, пестицидов. Процессы очистки воды обусловлены протеканием электрохимических реакций окисления и восстановления, многократно ускоренных за счет прямых электрохимических воздействий, а также благодаря участию в процессах очистки электрохимически синтезированных из самой очищаемой воды и растворенных в ней солей высокоактивных реагентов: озона, атомарного кислорода, пероксидных соединений, хлорноватистой кислоты, короткоживущих свободных радикалов. Процессы очистки воды в установках ИЗУМРУД состоят из нескольких стадий, разделенных в пространстве и во времени, различных по виду активного воздействия на воду и содержащиеся в ней примеси. Это обеспечивает высокую эффективность и экологическую безопасность очистки воды в установках ИЗУМРУД в сравнении с другими известными методами.
В рамках решения задачи по выбору электрохимической системы для применения на стадии водоподготовки и исследования режимов ее работы, обеспечивающих получение заданных параметров, испытывали установки серии ИЗУМРУД с различными технологическими схемами обработки воды. Различия технологических схем заключались в последовательности стадий обработки воды (табл.1).
Таблица 1 – Технологические процессы обработки воды в установках ИЗУМРУД различных моделей
| Последова-тельность стадий обработки | Наименования моделей установок ИЗУМРУД | |||
| ИЗУМРУД-А | ИЗУМРУД-Т | ИЗУМРУД-К1 | ||
| 1 | Катодная обработка | Катодная обработка | Анодная обработка | |
| 2 | Флотация водородом | Флотация водородом | Флотация кислородом и озоном | |
| 3 | Анодная обработка | Анодная обработка | Обработка на углеродном катализаторе | |
| 4 | Обработка на углеродном катализаторе | Обработка на углеродном катализаторе | Катодная Обработка | |
| 5 | Фильтрация через кварцевый фильтр | Фильтрация через оксидно-циркониевый фильтр | - | |
Результатом анализа работы явился выбор схемы установки, предусматривающей обработку водопроводной воды в последовательности:
- анодная обработка с целью обеззараживания воды (окисления органических примесей, уничтожения микроорганизмов, разрушения микробных токсинов);
- обработка воды во флотационном реакторе с целью удаления скоагулиро-вавших продуктов анодной обработки пузырьками кислорода и озона;
- обработка воды в каталитическом реакторе, заполненном гранулами углеродного материала (катализатора), с целью превращения хлоркислородных соединений (хлорноватистой кислоты и гипохлорит-ионов) в гидропероксиды;
- катодная обработка воды с целью перевода остаточных количеств ионов железа, меди, магния и др. в нерастворимые гидроксиды и придание воде антиоксидантных свойств за счет поступления в воду молекулярного водорода и свободных гидроксильных групп.
В ходе исследования в выбранную схему дополнительно включена стадия фильтрации воды через угольный фильтр с целью удаления нерастворимых взвешенных частиц карбонатов и др. соединений, образовавшихся при обработке в катодной камере, а также соединений активного хлора.
Подобная схема обработки воды реализована в установке ИЗУМРУД- К1, дополнительно снабженной внешним угольным фильтром. (рис.2).
Рисунок 2 - Схема установки ИЗУМРУД-К1, снабженной дополнительным внешним фильтром
Условные обозначения: Р1 и Р2 – проточные электрохимические модульные элементы ПЭМ-3; ДП – датчик протока; Ефл – флотационный реактор; Ек – каталитический реактор с углеродными гранулами; Еф – внешний угольный фильтр АКВАФОР; ГС – гидравлическое сопротивление; Д- сброс воды из флотационного реактора в дренаж
В качестве внешнего фильтра использован фильтр АКВАФОР. Такая система обеспечивает условия, препятствующие образованию, накоплению и развитию микроорганизмов на поверхности фильтрующего материала, что является одним из главных отличий и преимуществ предложенной схемы обработки воды перед обычными схемами фильтрования, включая микро-, ультра- и нанофильтрацию.
В задачи исследования входила оптимизация условий комбинирования процесса электрохимической активации и обработки на угольном фильтре.
Эффективность электрохимической обработки воды зависит от количества пропущенного электричества, которое пропорционально силе тока и обратно пропорционально скорости протока обрабатываемой воды через анодную и катодную камеры электрохимической ячейки.
Физико-химические свойства воды, прошедшей электрохимическую активацию при разной скорости протока (без последующей фильтрации на угольном фильтре), представлены в табл. 2.
Результаты измерений показали, что максимальные относительные изменения параметров, характеризующих процесс эхлектрохимического воздействия, наблюдаются при режиме протока 40 дм3/ч, который был выбран для последующего эксперимента.
Таблица 2 – Зависимость физико-химических свойств электрохимически обработанной воды от скорости протока
| Скорость протока | pH | OВП, мВ | *, мСм | O2, мг/дм3 | O2, % насыщения | Cl2, мг/ дм3 |
| 40 дм3/ч | 6,8 | -274 | 457 | 10,28 | 124,3 | 0,11 |
| 60 дм3/ч | 7,2 | -272 | 454 | 10,22 | 122,3 | 0,10 |
| 80 дм3/ч | 7,3 | -253 | 448 | 10,08 | 121,7 | 0,10 |
* электропроводность
Оценку эффективности комбинированной обработки воды с включением в схему обработки внешнего угольного фильтра осуществляли по общему количеству остаточных оксидантов методом молекулярного адсорбционного анализа, основанного на поглощении электромагнитных излучений молекулами и сложными ионами в ультрафиолетовой и видимой областях спектра (260 – 400 нм). Основным контролируемым окислителем, определяемым в режиме сканирования образцов исходной водопроводной воды и образцов электрохимически обработанной воды, были соединения активного хлора. Сравнивали спектры при длине волны 280 – 300 нм, соответствующие соединениям активного хлора (НОСl, OCl-, Cl2). Выбранный метод позволяет оценить их превращения в процессе электрохимической активации и эффективность их удаления на стадии фильтрации через угольный фильтр.
Рисунок 3 – Спектры образцов воды, полученных при разных условиях обработки (скорость протока – 40 дм3/ч)
Сравнительный анализ приведенных спектров поглощения свидетельствует о том, что в воде, подвергнутой обработке в установке ИЗУМРУД, снабженной внешним угольным фильтром АКВАФОР, общее количество соединений активного хлора, принятых в качестве индикатора эффективности обработки воды, существенно ниже, что указывает на их превращение в процессе электрохимической обработки с последующим эффективным удалением при каталитической деструкции на угольном фильтре.
Результаты, представленные в табл. 3, свидетельствуют о том, что предложенная схема водоподготовки обеспечивает достижение заданных параметров, необходимых для использования воды в технологиях напитков.
Таким образом, электрохимическая активация воды в установках ИЗУМРУД представляет собой доступный и эффективный способ водоподготовки. При сравнительно небольших затратах на оборудование и организацию системы очистки этот способ обеспечивает получение питьевой воды высокого качества, соответствующей требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 к качеству и безопасности воды, с хорошим вкусом, солевым составом, физико-химическими свойствами, что во многом определяет вкус и полезность конечного продукта.
Использование воды, прошедшей ЭХА-обработку, в качестве основы разнообразных напитков целесообразно для производства как продукции широкого массового потребления (пиво, квас, безалкогольные напитки), так и для получения функциональных напитков с заявленной дополнительной пользой для здоровья, рассматриваемых в настоящее время как инновационные.
Таблица 3 - Результаты анализов воды, подвергнутой обработке в установке ИЗУМРУД-К1, снабженной внешним угольным фильтром
| № п/п | Показатели | Единцы измерения | Нормативы по СанПиН 2.1.4.1074-01 | Нормативы по ТИ 10-5031536-73-10 | Параметры воды на входе в установку | Параметры на выходе при расходе 40 дм3/ч |
| 1 | Водородный показатель | Ед. рН | 6-9 | 6,0-6,5 | 7,8 | 6, 1 |
| 2 | ОВП | мВ | Н/Н | Н/Н | +350 | -290 |
| 3 | Цветность | град. | 20 | 10 | 19 | 2 |
| 4 | Мутность | мг/л | 1,5 | 1,0 | 1,4 | 0,1 |
| 5 | Жесткость | мг-экв/л | 7,0 | Менее 4 | 3,79 | 1,9 |
| 6 | Окисляемость | мг/л | 5 | 2 | 3,3 | 1,5 |
| 7 | Сульфаты | мг/л | 500 | 100 - 150 | 72 | 66 |
| 8 | Хлориды | мг/л | 350 | 100 - 150 | 49 | 42 |
| 9 | Кальций | мг/л | Н/Н | 40 - 80 | 49,00 | 29,43 |
| 10 | Магний | мг/л | Н/Н | Следы | 10,80 | 0,65 |
| 11 | Железо | мг/л | 0,3 | 0,1 | 4,95 | 0,03 |
| 12 | Нитраты | мг/л | 45 | 10 | 3,49 | 3,55 |
| 13 | Нитриты | мг/л | 3 | 0 | 0,05 | 0,00 |
| 14 | Алюминий | мг/л | 0,5 | 0,5 | 0,11 | 0,04 |
| 15 | Медь | мг/л | 1,0 | 0,5 | 0,01 | Н/О |
| 16 | Марганец | мг/л | 0,1 | 0,1 | 0,021 | 0,002 |
| 17 | Силикаты | мг/л | 10 | 2,0 | 3,3 | 0,3 |
| 18 | Щелочность | мг-экв/л | Н/Н | 0,5 – 1,5 | 1,8 | 0,6 |
| 19 | Хлор остаточный свободный | мг/л | 0,3 – 0,5 | Н/Н | 0,2 | 0,03 |
| 20 | Хлор остаточный связанный | мг/л | 0,8 – 1,2 | Н/Н | 0,6 | Н/О |
| 21 | Хлороформ | мг/л | 0,2 | Н/Н | 0,028 | Н/О |
| 22 | Озон остаточный | мг/л | 0,3 | Н/Н | Н/О | Н/О |
| 23 | Формальдегид | мг/л | 0,05 | Н/Н | Н/О | Н/О |
| 24 | Минерализация (сухой остаток) | мг/л | 1000 | 500 | 371 | 335 |
| 25 | Общее микробное число | КОЕ/мл | 50 | Н/Н | 45 | 0 |
Примечание:Н/Н–не нормировано; Н/О– не обнаружено в пределах чувствительности метода.
На основании анализа литературы, можно выделить три основных направления разработки функциональных напитков: обогащение физиологически функциональными ингредиентами (витаминами, минералами, пищевыми волокнами, антиоксидантами); комбинирование жидких основ с получением новых сочетаний; модификация водной основы физическими или физико-химическими методами с целью направленного изменения ее состава и свойств. На практике при разработке одного напитка могут применяться только один, два или все три указанных приема.
В настоящей работе в качестве объекта исследований были выбраны наиболее широко распространенные в нашей стране напитки брожения – квас и пиво, а также функциональные напитки, обогащенные пищевыми волокнами и природным антиоксидантом эпигаллокатехингаллатом.
В четвертой главе приведены данные исследований, целью которых служил поиск закономерностей воздействия ЭХА-воды на развитие дрожжей на примере процесса брожения пивного сусла. Известна значимость качества воды, в т.ч. значения рН и солевого состава на вкус и стойкость пива. В связи с этим изучение потенциальной возможности применения воды, обработанной в выбранной ЭХА - системе, в технологии одного из самых массовых напитков брожения в нашей стране представляло большой интерес. Объектом исследования служили модельные образцы пива, приготовленные из концентрата пивного сусла. В течение 5 суток опытным путем определяли основные показатели процесса главного брожения – содержание сухих веществ, содержание дрожжевых клеток (рис. 4, 5, 6).
Рисунок 4 - Изменение концентрации сухих веществ при сбраживании пивного сусла, приготовленного на водопроводной и ЭХА-воде из концентрата
По окончании процесса, после дображивания, готовые образцы пива дегустировали и оценивали по основным органолептическим показателям.
Установлено, что в образцах, приготовленных на воде, прошедшей водоподготовку с использованием ЭХА – системы, процесс брожения идёт более интенсивно.
Рисунок 5 – Влияние ЭХА-обработки воды на изменение концентрации дрожжевых клеток во взвеси сусла в течение главного брожения
Рисунок 6 – Влияние ЭХА-обработки воды на содержание мертвых клеток в течение главного брожения
Рисунок 7 - Влияние ЭХА-обработки воды на содержание клеток с гликогеном во взвеси сусла в течение главного брожения
Концентрация дрожжевых клеток во взвеси сусла в образцах, приготовленных на воде, прошедшей водоподготовку с использованием ЭХА – системы, практически в 2 раза больше, чем в контрольных образцах на очищенной водопроводной воде. При этом содержание клеток с гликогеном во взвеси сусла практически в 3 раза превышает значения контроля, а содержание мертвых клеток, напротив, уменьшается в 5 раз. Продолжительность брожения сократилась на 12 часов.
Повышение интенсивности брожения на стадии главного брожения послужило предпосылкой для предположения о возможном положительном влиянии ЭХА-воды на процессы, протекающие в ходе других стадий технологии пивоварения. В частности, представляло интерес применение активированной воды на стадии затирания солода, эффективность которой зависит от температуры и рН среды, продолжительности биохимических реакций, концентрации затора. Формирование физико-химических и органолептических свойств пива зависит, главным образом, от эффективности ферментативных процессов, в частности, расщепления крахмала (осахаривания).
В ходе работы на стадии затирания солода использовали водопроводную воду и ЭХА-воду. Объектами исследования служили два образца сусла:
№ 1 – «Контроль» (сусло, приготовленное на исходной водопроводной воде);
№ 2 – «Изумруд» (сусло, приготовленное на водопроводной воде, подвергнутой ЭХА-обработке на установке «Изумруд»);
На рис. 8, 9, 10 показано, что использование для затирания солода и приготовления сусла воды, обработанной в ЭХА- системе, оказывает влияние на процессы приготовления и фильтрования затора, сокращает стадию главного брожения.
Рисунок 8 –Влияние ЭХА-обработки воды для затирания на продолжительность осахаривания затора и его фильтрования
Рисунок 9 – Влияние ЭХА-обработки воды на экстрактивность сусла
Рисунок 10 - Изменение экстрактивности сусла в процессе главного брожения
Пятая глава содержит результаты экспериментальных исследований, направленных на изучение влияния ЭХА-воды на основные процессы в технологии кваса с целью получения напитков брожения на основе электрохимически активированной воды. В ходе эксперимента в процессе брожения квасного сусла, приготовленного из концентрата, измеряли pH, титруемую кислотность, содержание сухих веществ, продолжительность брожения и микробиологические показатели, такие как общее количество дрожжевых клеток, число мертвых клеток и клеток с гликогеном - запасным полисахаридом дрожжевой клетки, по содержанию которого судят об упитанности дрожжей. Полученные опытные данные проиллюстрированы на рис. 11,12,13.
В результате выполненного эксперимента было продемонстрировано положительное влияние ЭХА-обработки воды на процесс брожения квасного сусла. Сусло, приготовленное на обработанной воде, сбраживалось более интенсивно, с достоверным различием по количеству сухих веществ, в среднем, на 0,5%, что позволяет сократить время брожения и, тем самым, ускорить процесс производства кваса. Количество клеток с гликогеном в образцах, приготовленных с применением обработанной в ЭХА-системе воды, во всех опытах возросло в 3 – 4 раза по сравнению с контрольными образцами.
Рисунок 11 - Изменение экстрактивности квасного сусла в процессе главного брожения
Рисунок 12 – Влияние ЭХА-обработки воды на общее количество дрожжевых клеток
Рисунок 13 – Влияние ЭХА-обработки воды на содержание гликогена в дрожжевых клетках
Таким образом, на примере напитков брожения двух видов выявлена закономерность влияния ЭХА-воды на развитие дрожжей, очевидно, имеющая универсальный характер, что делает возможным использование электрохимической активации на стадии водоподготовки в технологии различных напитков брожения.
В шестой главе, посвященной разработке функциональных напитков на водной основе, модифицированной физико-химическим методом с использованием предложенной схемы водоподготовки, представлены результаты исследования по выбору типа напитков, подлежащих модификации путем обогащения физиологически функциональными ингредиентами, выбору и обоснованию функциональных ингредиентов, применяемых для их обогащения, исследованию влияния ЭХА-воды на обогащающие ингредиенты.
С целью исследования и возможного прогнозирования поведения гидроколлоидов со свойствами пищевых волокон в модельных растворах на основе ЭХА-воды, в серии предварительных опытов было изучено влияние ЭХА-воды на вязкость различных гидроколлоидов этой группы, в частности, препаратов высокоэтерифицированного пектина Unipectin, низкомолекулярного хитозана, инулина Fibruline, пшеничных декстринов Nutriose, препаратов гуммиарабика Fibregum и Thixogum. Было установлено, что вязкость растворов низкомолекулярного хитозана и высокоэтерифицированного пектина увеличивается в случае их приготовления на ЭХА-воде по сравнению с аналогичными показателями растворов, приготовленных на водопроводной воде. Значения вязкости растворов гуммиарабика, декстринов и инулина в концентрациях 0,1%, 0,3%, 0,5%, 1%, 3%, приготовленных c использованием водопроводной и ЭХА-воды, практически не меняются. Значения вязкости растворов гуммиарабика были наименьшими.
К числу показателей, которые, по мнению большинства исследователей, благоприятно влияют на здоровье человека и считаются важной качественной характеристикой напитка, относится содержание в нем растворенного кислорода. Помимо этого, данный показатель косвенно свидетельствует о биохимической стабильности раствора. В ходе сравнительного исследования содержание растворенного кислорода в 0,1%, 0,3%, 0,5%-ных растворах гуммиарабика на водопроводной и ЭХА-воде измеряли в течение 7 суток при комнатной температуре (рис. 14).
Рисунок 14 – Изменение содержания растворенного кислорода в 0,1%-ных растворах гуммиарабика Thixogum S при хранении
Результаты эксперимента показали, что во всех опытных растворах, приготовленных на воде, обработанной в установке «Изумруд», уровень содержания растворенного кислорода сохраняется дольше, чем в растворах сравнения на исходной водопроводной и дистиллированной воде, что свидетельствует о повышенной биохимической стабильности растворов, приготовленных на ЭХА-воде. Тенденция к сохранению и удерживанию растворенного кислорода прослеживается и при большей концентрации гуммиарабика (рис. 15).
Рисунки 15 – Изменение содержания растворенного кислорода в 0,5%-ных растворах гуммиарабика Thixogum S при хранении
Важнейшими функциональными ингредиентами, защищающими организм от окислительного стресса и его последствий, являются антиоксиданты, среди которых биофлавоноиды зеленого чая считаются одними из наиболее активных. В данной работе было исследовано влияние ЭХА-воды на антиоксидантную активность высокоочищенного экстракта зеленого чая Teavigo с содержанием эпигаллокатехингаллата не менее 88%. В экспериментах, посвященных исследованию стабильности Teavigo в растворах на ЭХА-воде, изучали изменение во времени (в течение 24 часов) общей антиоксидантной активности растворов экстракта с концентрациями 0,05% и 0,1%. Результаты эксперимента для концентрации 0,1% представлены на рис. 16.
Рисунок 16 - Влияние ЭХА-воды на стабильность эпигаллокатехингаллата
Результаты исследования показали, что, независимо от концентрации, все растворы исследованного антиоксиданта в воде, обработанной электрохимическим способом, проявляют большую устойчивость по сравнению с растворами того же вещества в дистиллированной воде.
Таким образом, экспериментально доказана целесообразность использования метода ЭХА-обработки на стадии водоподготовки при изготовлении функциональны х напитков, обогащенных гуммиарабиком и экстрактом зеленого чая.
Седьмая глава является завершающей и включает разработку рецептуры и технологической схемы производства комбинированного напитка, содержащего в качестве основы сочетание кваса и смеси фруктовых соков и обогащенного гуммиарабиком и экстрактом зеленого чая.
Отличительной особенностью технологической схемы является стадия водоподготовки, которая предусматривает электрохимическую активацию воды в установке ИЗУМРУД-К1, снабженной внешним угольным фильтром, при соблюдении разработанных ранее технологических режимов обработки (рис. 17).
Приложения содержат практические рекомендации по использованию ЭХА-воды в производстве пива, рецептуры, технические условия и технологические инструкции получения разработанных напитков.
Таблица 4 - Рецептура напитка, приготовленного с использованием ЭХА-воды и обогащенного гуммиарабиком и антиоксидантом зеленого чая
| Сырьё, кг/1000 кг, без учёта потерь | Содержание сухих веществ в сырье,% | Напиток с общим содержанием концентрированного сока 15% |
| Концентрированное клубничное пюре или эквивалентное количество пюре (сока) с иной массовой долей сухих веществ | 30 | 14,0 |
| Концентрированный клюквенный сок или эквивалентное количество сока с иной массовой долей сухих веществ | 65 | 4,9 |
| Концентрированный ежевичный сок или эквивалентное количество сока с иной массовой долей сухих веществ | 65 | 7,7 |
| Сахар-песок или эквивалентное количество сахарного сиропа | 99,85 | 77,6 |
| Экстракт зеленого чая Teavigo® | 97 | 0,32 |
| Гуммиарабик Thixogum® | 96 | 31,2 |
| Квас, приготовленный из концентрата квасного сусла с применением ЭХА-воды | 4,0 | 864,28 |
ВЫВоды
- Научно обоснован метод электрохимической активации в качестве средства водоподготовки в технологии напитков. Выбраны тип установки для применения на стадии водоподготовки, а также схема обработки воды, с целью усовершенствования которой в ЭХА – систему включен внешний угольный фильтр, обеспечивающий удаление из обработанной воды нерастворимых взвешенных частиц карбонатов и других соединений.
- В результате сравнительного анализа спектров образцов воды, полученных при различных режимах обработки, было доказано, что обработка активированной воды на угольном фильтре приводит к удалению соединений активного хлора; выбраны рациональные параметры электрохимической активации, обеспечивающие возможность ее применения в технологии напитков.
- При получении пива из концентрата с использованием ЭХА-воды и дрож-жей верхового брожения установлен эффект интенсификации прироста биомассы дрожжей в 2 раза, содержание клеток с гликогеном увеличивается в 3 раза, продолжительность брожения сокращается на 12 часов. Дрожжи после окончания брожения с учетом значительного улучшения их физиологического состояния (снижения количества мертвых клеток в 5 раз и увеличения содержания клеток с гликогеном) могут быть повторно использованы в пивоварении.
- Исследовано влияние ЭХА-воды на технологический процесс затирания ячменного солода при производстве пива. Показано, что при использовании воды наблюдается ускорение процессов осахаривания и фильтрования сусла, увеличивается объем фильтрата, повышается интенсивность брожения, а его продолжительность сокращается почти на 1 сутки.
- Исследовано влияние ЭХА-воды на процесс брожения при приготовлении кваса из концентрата квасного сусла. Сусло, приготовленное на обработанной воде, сбраживалось более интенсивно, что позволяет сократить время брожения и ускорить процесс производства кваса. Установлен также эффект увеличения в 3 – 4 раза количества клеток с гликогеном в образцах, приготовленных с применением обработанной в ЭХА-системе воды, по сравнению с контрольными образцами.
- Обосновано применение функциональных ингредиентов – растворимого пищевого волокна (гуммиарабика Thixogum), антиоксиданта (высокоочи-щенного экстракта зеленого чая Teavigo с содержанием эпигаллокатехингаллата не менее 88%) для обогащения напитков на основе ЭХА-воды.
- При исследовании влияния ЭХА-воды на растворы гидроколлоидов показано, что наименьшая вязкость наблюдается в растворах гуммиарабика. Установлено также, что в 0,1; 0,3 и 0,5 %-ных растворах гуммиарабика, приготовленных на ЭХА-воде, содержание растворенного кислорода практически не изменяется при хранении в течение 7 суток, что в 1,4 – 2,3 раза превышает результаты для растворов сравнения с применением водопроводной и дистиллированной воды.
- Изучено изменение во времени антиоксидантной активности эпигаллокатехингаллата в 0,05% и 0,1%-ных растворах, приготовленных с использованием ЭХА-воды. Выявлено повышение устойчивости эпигаллокатехингаллата в растворах, приготовленных на ЭХА-воде, по сравнению с контрольными растворами.
- Разработана рецептура и технология напитка с использованием ЭХА-воды, обогащенного физиологически функциональными ингредиентами – пищевыми волокнами и антиоксидантом. Разработана нормативная и технологическая документация на напитки, полученные на основе ЭХА-воды.
Перечень работ, опубликованных по теме диссертации
1. Козлов, И.В. Многофункциональность технологии электрохимической активации в производстве напитков и пива [Текст] / И.В. Козлов, Л.Г. Ипатова, М.В. Гернет : Сб. материалов V Международной конференции «Высокоэффективные пищевые технологии». – М. : МГУПП, 2007. –С. 188-192.
2. Кругликов, Б.В. ЭХА-растворы в технологии пива, полученные на установках нового поколения [Текст] / Б.В. Кругликов, М.В. Гернет, И.В. Козлов // Пиво и напитки. – 2008. – №5. – С. 36-37.
3. Козлов, И.В. Многофункциональность технологии электрохимической активации в производстве напитков и пива [Текст] / И.В. Козлов, Л.Г. Ипатова, М.В. Гернет : Сб. материалов VI Международной научно-практической конференции «Технологии и продукты здорового питания. Функциональные пищевые продукты» – М. : МГУПП, 2008. – С. 188-192.
4. Козлов, И.В. Способ подготовки водной среды в технологии функциональных напитков [Текст] / И.В. Козлов, Л.Г. Ипатова, М.В. Гернет : Сб. докладов VII Международной научно-технической конференции «Техника и технология пищевых производств». – Могилев. : МГУП, 2009. –С. 21.
5. Козлов, И.В. Применение электрохимической активации как способа подготовки водной среды в технологии напитков брожения [Текст] / И.В. Козлов, Л.Г. Ипатова, М.В. Гернет : Сб. материалов VII международной научно-практической конференции «Технологии и продукты здорового питания. Функциональные пищевые продукты» » – М. : МГУПП, 2009. – С. 250-252.
6. Козлов, И.В. Очистка и кондиционирование воды при производстве пива и напитков в установках типа «Изумруд» [Текст] / И.В. Козлов, М.В. Гернет, Л.Г. Ипатова // Пиво и напитки. – 2009. –№6. – С. 44-46.
