Олегович совершенствование технологии плотного пивоварения путем управления процессом дробного внесения мальтозы в сусло
На правах рукописи
ЧУЛАНОВ Евгений Олегович
Совершенствование технологии плотного пивоварения путем управления процессом дробного внесения мальтозы в сусло
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 «Процессы ферментации и промышленного биокатализа»
Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Карпенко Дмитрий Валерьевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Иванова Людмила Афанасьевна
кандидат технических наук
Хлыновский Михаил Данилович
Ведущая организация: ГОУВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности»
Защита состоится «14» мая 2009 года в _____ часов в ауд. ____ 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 ш., д. 11.
Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 125080, Москва, Волоколамское ш., д.11, МГУПП, ученому секретарю Совета.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО МГУПП.
Автореферат разослан «____» ________ 2009г.
Ученый секретарь
Совета по защите докторских
и кандидатских диссертаций Д 212.148.04 Крюкова Е.В.
Общая характеристика работы
Актуальность работы. «Плотное» пивоварение отличается от классической технологии более высокой эффективностью и позволяет без существенных вложений в дополнительное производственное оборудование завода значительно увеличить выпуск готового пива, что особенно актуально в летний период, когда спрос значительно возрастает. Ввиду этого в настоящее время многие пивоваренные предприятия перешли на технологию «плотного» пивоварения.
Существенное снижение производственных издержек возможно при использовании крахмальной патоки с высоким содержанием мальтозы в качестве добавки, повышающей плотность сусла. В рамках этого способа получают сусло умеренной плотности, а увеличение экстрактивности обеспечивают внесением расчётного количества углевода, которое, как правило, производят на стадии кипячения с хмелем.
Однако при этом на стадии брожения возникают существенные технологические проблемы. Популяция дрожжей развивается в среде с высоким содержанием сухих веществ, что означает высокое осмотическое давление, которое плохо переносится клетками. Кроме этого, при использовании крахмальной патоки с высоким содержанием мальтозы возникает дефицит аминного азота, который необходимо компенсировать. Отмеченные факторы могут снизить скорость и глубину сбраживания, ухудшить характеристики дрожжевой массы, предназначенной для пересева. Поэтому на ряде предприятий отрасли вынуждены работать только на чистой культуре дрожжей, без использования последующих генераций.
Устранение этих проблем важно для повышения эффективности производства, что и обуславливает актуальность данной диссертационной работы.
Цели и задачи исследований. Целью диссертационной работы являлось совершенствование технологии плотного пивоварения путем управления характеристиками сусла, позволяющего улучшить технологически важные свойства пивоваренных дрожжей.
Для реализации поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- разработать новый способ сбраживания в технологии «плотного» пивоварения, позволяющий снизить негативное воздействие высокого осмотического давления на дрожжевые клетки;
- изучить и сопоставить влияние различных способов активации развития популяции пивных дрожжей и повышения степени сбраживания сусла;
- изучить возможность комбинирования различных способов активации развития пивных дрожжей;
- определить параметры предобработки дрожжевой суспензии пероксидом водорода, обеспечивающие повышение устойчивости пивных дрожжей к воздействию неблагоприятных факторов внешней среды;
- разработать способ получения нового препарата, повышающего сбалансированность сусла как питательной среды для дрожжевой популяции, и изучить его характеристики;
- определить параметры процесса сбраживания сусла в технологии «плотного» пивоварения разработанным способом;
- установить качественные характеристики готового пива, полученного в соответствии с разработанным в диссертационной работе способом.
Научная новизна. В результате изучения процесса дробного внесения мальтозы в ходе главного брожения получены зависимости между способом внесения экстракта и такими характеристиками молодого пива, как содержание этанола и диацетила, а также физиологическим состоянием дрожжевой популяции, позволяющие заключить, что управление этим процессом снижает отрицательное воздействие осмотического стресса на состояние дрожжей; при использовании предлагаемого способа внесения мальтозы степень сбраживания оказывается на 5,6% выше, чем при добавлении всего количества экстракта сразу, при охмелении сусла.
Проведено сопоставление эффективности различных способов интенсификации сбраживания сусла; определено, что наиболее выраженный эффект обеспечивает комплексный способ активации сбраживания, включающий предобработку дрожжевой суспензии пероксидом водорода и дробное внесение дополнительного источника экстракта.
Изучено влияние параметров обработки семенных дрожжей пероксидом водорода, обеспечивающих наибольшее количество жизнеспособных осмотолерантных клеток в суспензии: концентрации сусла и продолжительности предварительной инкубации (разбраживания). Показано, что наилучшие результаты обеспечивает предварительное культивирование дрожжевой популяции на сусле концентрацией 20% сухих веществ (СВ) в течение 24 ч.
Установлена взаимосвязь между режимными параметрами получения дрожжевого ферментолизата (автолизата осадочных дрожжей, подвергшегося обработке ферментом) и содержанием в нем аминного азота.
Исследовано влияние комплексной активации дрожжей; установлено, что наилучшие результаты обеспечивает сочетание дробного внесения мальтозы на стадии главного брожения и введение в сусло жидкой фракции автолизата пивных дрожжей, предварительно обработанной Протосубтилином Г10х.
Практическая значимость. Разработан новый способ сбраживания сусла в технологии «плотного» пивоварения, предусматривающий управление процессом дробного внесения крахмальной патоки с высоким содержанием мальтозы в ходе главного брожения, что обеспечивает сокращение продолжительности главного брожения не менее чем на 2 суток.
Разработан способ активации сбраживания сусла, заключающийся в предобработке семенных дрожжей раствором пероксида водорода и добавлении к начальному суслу дрожжевого ферментолизата.
Разработан способ получения активатора сбраживания пивного сусла с высоким содержанием аминного азота (до 8,97 мг/см3) на основе осадочных пивных дрожжей.
Предложены различные комбинации способов активации сбраживания сусла, обеспечивающие значимые технологические преимущества (сокращение главного брожения на 2 суток и более), что позволит технологу выбрать наиболее целесообразные приемы.
Результаты диссертационной работы подтверждены данными производственных испытаний нового способа предобработки дрожжей на пивоваренном заводе ЗАО «Макс», г. Москва.
Ожидаемый экономический эффект от внедрения технологии «плотного» пивоварения с дробным внесением крахмальной патоки с высоким содержанием мальтозы на стадии главного брожения составит 1,2 млн руб. на 1 млн дал пива в год.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы представлены на четвертой международной конференции-выставке «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации», 15-16 ноября 2006 года, Москва, МГУПП; пятой юбилейной школе-конференции с международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации», 12-19 ноября 2007 года, Москва, МГУПП; шестой научно-технической конференции с международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации: эффективное использование ресурсов отрасли», 18-19 ноября 2008 года, Москва, МГУПП.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, в том числе, 4 статьи в журнале, рекомендованном ВАК.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка литературы, включающего 121 источник, и 4-х приложений. Работа изложена на 158 страницах машинописного текста, включая 50 таблиц и 8 рисунков.
Содержание диссертационной работы
1. Введение
Во введении определена актуальность выбранной темы и отражены основные задачи научного исследования.
2. Обзор литературы
В обзоре литературы рассмотрены основные характеристики, преимущества и недостатки разных способов реализации технологии «плотного» пивоварения. Проанализированы характерные проблемы и возможные способы их решения. Обосновано направление исследований настоящей работы.
3. Экспериментальная часть
3.1. Материалы и методы
В работе использовали как производственное пивное сусло, доведенное до необходимого содержания сухих веществ углеводом (мальтоза, глюкоза), так и солодовый охмеленный концентрат, разбавленный водопроводной водой, а затем «уплотненный» углеводом (мальтоза, глюкоза) до необходимого содержания сухих веществ. В экспериментах использовали сухие пивоваренные дрожжи Saf Brew S33 и производственные семенные дрожжи Rh.
При выполнении аналитических исследований применяли общепринятые физико-химические и микробиологические методы анализа, описанные в специальной научно – технической и отраслевой литературе. Физико-химические показатели пивного сусла и пива определяли следующими методами: содержание этилового спирта - дистилляционным способом; содержание белка – биуретовым методом; соотношение между фракциями белкового азота – по Лундину; содержание аминного азота - по числу карбоксильных групп в водно-спиртовом растворе; видимый экстракт – рефрактометрическим способом; содержание редуцирующих веществ – методом с использованием калия железосинеродистого (КЖС); бродильную активность – весовым методом; концентрацию диацетила – методом отгонки; титр дрожжевых клеток – подсчетом на камере Горяева.
Все определения проводились в трёх повторностях. В диссертации представлены средние арифметические данные трёх повторностей. Статистическую обработку экспериментальных данных проводили с применением стандартного пакета программ.
3.2. Результаты исследований и их обсуждение
Состав сусла имеет для дрожжей первостепенное значение. В технологии «плотного» пивоварения получение высококачественного сусла особенно важно, так как условия развития дрожжевой популяции в сусле с высокой концентрацией сухих веществ являются менее благоприятными из-за высокого осмотического давления и, в некоторых случаях, из-за дефицита легкоусваиваемого азота.
Существует два принципиально различающихся подхода к получению «плотного» сусла. Первый базируется на проведении затирания солода с низким гидромодулем (примерно 1:3) и интенсивном кипячении до заданной плотности. Второй подход сводится к затиранию солода с характерным для классического пивоварения гидромодулем (около 1:5), кипячению с хмелем и последующему введению дополнительного источника экстракта.
На первом этапе нашей работы было изучено влияние использования при затирании различных ферментных препаратов на основные показатели сусла с высоким содержанием сухих веществ, получаемого при более низком, чем традиционный, гидромодуле. Целью этой серии экспериментов являлось установление возможности интенсификации технологии «плотного» пивоварения уже на стадии затирания.
Использовали ферментные препараты, содержащие различные целевые гидролитические ферменты, действующие как на крахмалистые и белковые вещества, так и на некрахмальные полисахариды: АП Субтилин Г3Х, Амилоризин П10Х, Фунгамил, Термамил, Церефло, Промальт СН, Вискофло, Протосубтилин Г10Х.
Установлено, что использование ферментных препаратов Промальт СН, АП Субтилин Г3Х, Амилоризин П10Х, Фунгамил, Церефло в условиях эксперимента повысило в первом сусле содержание СВ на 12% и редуцирующие вещества (РВ) на 21% по сравнению с контролем, в котором затирание вели без использования микробных биокатализаторов.
Следует отметить, что концентрация РВ в сусле, полученном с использованием АП Субтилина Г3Х, увеличилась по сравнению с контролем на 16%, а концентрация свободного аминного азота на 14%. Церефло так же проявил себя как комплексный препарат: содержание РВ выросло на 19%, содержание свободного аминного азота на 12%.
Однако общий прирост концентрации СВ, по нашему мнению, был недостаточен, чтобы существенно снизить потери экстрактивных веществ зернового сырья, затираемого при низком гидромодуле, и предлагать использование ферментных препаратов в качестве единственного технологического приема для интенсификации «плотного» пивоварения. Поэтому было изучено влияние на характеристики сусла использования ферментных препаратов при затирании с традиционным гидромодулем (1:5) и последующим повышением плотности сусла за счет добавления мальтозного и глюкозного сиропов.
Установлено, что индивидуальное использование ранее изученных ферментных препаратов в условиях эксперимента не обеспечило значительного роста СВ. Их концентрация возрастала не более чем на 3%. Использование мультэнзимной композиции (МЭК) (Амилоризин П10Х и Протосубтилин Г10Х в соотношении 1:1) привело к увеличению содержания в сусле сухих веществ на 7%, редуцирующих веществ на 14%, аминного азота на 13%.
Определение эффективности использования МЭК с целью повышения питательной ценности сусла было проведено с помощью культивирования дрожжевой культуры на образцах полученного сусла. Наибольшая эффективность применения ферментных препаратов на стадии затирания продемонстрирована в варианте с суслом, «уплотненным» глюкозным сиропом (на 21,4% дрожжевых клеток больше). По нашему мнению, при добавлении к суслу с целью его «уплотнения» мальтозы следует использовать альтернативные технологические приемы, улучшающие условия развития дрожжей и сбраживаемость сусла.
3.2.1. Влияние дрожжевого автолизата и препаратов на его основе на активацию стадии главного брожения в «плотном» пивоварении
Избыточные пивные дрожжи являются ценным вторичным материалом. Помимо прочего, предложено получать путем автолиза таких дрожжевых клеток два продукта: клеточные оболочки и жидкую фракцию автолизата, представляющую собой в большей или меньшей степени деструктурированные компоненты протоплазмы.
Первым шагом нашей работы стало изучение аминокислотного состава автолизата дрожжей, который мы предполагали использовать в качестве активатора брожения (таблица 1).
Таблица 1 - Аминокислотный состав жидкой фракции автолизата пивных дрожжей
| Название аминокислоты | Содержание в автолизате, % |
| Аргинин | 0,21 |
| Аспарагин | 58,90 |
| Аспарагиновая к-та | 6,35 |
| Валин | 11,24 |
| Лейцин | 1,87 |
| Серин | 5,72 |
| Тирозин | 10,51 |
| Треонин | 5,20 |
Важно отметить, что более 70% массы аминокислот, входящих в состав жидкой фракции автолизата (аргинин, аспарагин, серин, треонин и др.), относятся к аминосоединениям, которые усваиваются дрожжами лучше других.
Было проведено культивирование дрожжевой популяции на сусле с добавкой аспарагиновой аминокислоты, которая быстро утилизируется дрожжами, и аминокислоты – глицина, которая усваивается только частично. Обе аминокислоты в условиях эксперимента оказали положительное влияние на развитие дрожжевой популяции. Однако воздействие аспарагиновой кислоты более выражено (общий титр клеток на третий день культивирования был на 26% больше контроля и на 6% больше опыта с внесением глицина).
Для сравнения эффективности различных источников легко усваиваемого азота был проведен эксперимент, в котором карбонат аммония был внесен в сусло так, чтобы обеспечить его концентрацию равной 0,8% масс./об., дозировка жидкой фракции автолизата составила 5% об., после чего сусло культивировалось дрожжевой популяцией. Дозировки были подобраны так, чтобы обеспечить одинаковое количество вносимого в сусло аминного азота.
Использование автолизата в качестве активатора брожения дало меньший эффект, чем внесение соли аммония. Для повышения эффективности использования автолизата может быть предложено два метода. Первый – увеличение дозировки автолизата, но при этом может возрасти содержание в готовом пиве соединений, негативно влияющих на его коллоидную стойкость. Второй – повышение в автолизате содержания низкомолекулярных азотистых соединений, что, с нашей точки зрения, могло быть достигнуто за счет действия собственных протеаз дрожжей или применения протеолитических ферментов в составе ферментного препарата микробного происхождения.
Заданный результат достигали за счет добавления ферментного препарата микробного происхождения Протосубтилин Г10х (0,02% масс./об.). Обработка автолизата протеолитическим ферментным препаратом привела к повышению концентрации низкомолекулярных соединений азота на 15,7% (с 5,49 мг/см3 до 6,74 мг/см3).
Влияние ферментолизата на развитие популяции дрожжей в сусле с концентрацией сухих веществ 20% состояло в увеличении титра клеток пропорционально увеличению дозировки ферментолизата. Больше всего дрожжевых клеток после культивирования содержалось в опытном варианте с наибольшей дозировкой ферментолизата (2% об.) – на 23,2% больше, чем в контроле. Но для достижения эффективности применения ферментолизата, сопоставимой с таковой при использовании соли аммония было необходимо обеспечить ещё более высокое содержание в дрожжевом препарате аминного азота.
Было показано, что увеличение продолжительности обработки ферментолизата Протосубтилином Г10х с 2 до 53 ч позволило в условиях эксперимента повысить содержание аминного азота почти на 52%. В то же время, после 53 ч обработки не наблюдается существенного прироста низкомолекулярных азотистых соединений.
Были рассмотрены результаты обработки дрожжевого автолизата протеолитическим ферментным препаратом, проведенной при пониженной (8°С), средней (20 – 22°С) и повышенной (50°С) температурах.
Наилучшие результаты были получены при повышенной температуре, оптимальной для протеолитических ферментов Протосубтилина Г10х. Свидетельством целесообразности ведения процесса обработки автолизата при 500С можно считать также увеличение концентрации сухих веществ по мере повышения температуры ферментолиза. Таким образом, можно заключить, что наиболее целесообразно проведение обработки дрожжевого автолизата протеолитическим ферментным препаратом при 50°С с последующим охлаждением полученного ферментолизата до требуемой температуры.
В проведенных ранее исследованиях было показано существенное влияние продолжительности, температуры обработки на концентрацию свободного аминного азота. Так же очевидно влияние концентрации фермента в среде при получении ферментолизата. Совместное влияние этих факторов может иметь более сложный характер. Для его установления был осуществлен эксперимент, основой которого являлся план ПФЭ23.
Увеличение продолжительности и температуры обработки, а так же концентрации фермента приводит к росту концентрации аминного азота в среде, причем положительное влияние повышенной температуры более существенно. На основании полученных экспериментальных данных был проведен соответствующий расчет и составлено уравнение, описывающее зависимость концентрации аминного азота в препарате от продолжительности и температуры обработки, а так же от концентрации фермента в рассмотренном диапазоне:
Y = 6,26 + 2,3 Х1 + 0,07 Х2 + 0,14 Х3 + 0,05 Х1 Х2 + 0,09 Х1 Х3,
где Х1 – температура, Х2 – концентрация, Х3 – продолжительность процесса.
Полученная модель удовлетворяет требованиям адекватности и точности.
Недостатком введения в пивное сусло автолизата осадочных пивных дрожжей с целью увеличения концентрации аминного азота является возможное повышение содержания в среде средне- и высокомолекулярных соединений белковой природы, отрицательно влияющих на коллоидную стойкость готового напитка. Можно было предположить, что после реализации предложенного в нашей работе метода обработки дрожжевого автолизата протеолитическим ферментным препаратом доля нежелательных средне- и высокомолекулярных протеинов должна снижаться, а доля низкомолекулярных азотистых соединений, оказывающих положительное влияние на развитие дрожжевой популяции, возрастать. Для выяснения содержания в препарате, получаемом в результате обработки дрожжевого автолизата Протосубтилином Г10х, – ферментолизате – нестойкорастворимых соединений белковой природы был проведен заключительный эксперимент данного этапа нашей работы, результаты которого приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Фракционный состав (по Лундину) ферментолизата, полученного обработкой дрожжевого автолизата Протосубтилином Г10х
| Фракция ферментолизата по Лундину | Доля от общего содержания белковых веществ, % |
| А (высокомолекулярные полипептиды) | 9,1 |
| В (среднемолекулярные полипептиды) | 26,3 |
| С (низкомолекулярные азотистые соединения) | 64,6 |
Из таблицы видно, что основной частью азотсодержащих соединений препарата являются низкомолекулярные полипептиды и аминокислоты.
В целом, можно заключить, что обработка дрожжевого автолизата протеолитическим ферментным препаратом, проведенная в оптимальных условиях, позволяет увеличить содержание низкомолекулярных азотистых соединений и, следовательно, интенсифицировать воздействие ферментолизата на развитие дрожжевой популяции в «плотном» сусле.
3.2.2. Использование нерастворимой фазы дрожжевого автолизата в качестве активатора брожения
Из осадочных пивных дрожжей путем их автолиза могут быть получены два продукта: автолизат (жидкая фракция) и оболочки дрожжей («ОД-2» – фракция, отделяемая при центрифугировании и затем высушиваемая). Второй продукт представляет собой сорбент, имеющий высокое сродство к соединениям различной химической природы. Для определения влияния сорбирующего препарата «ОД-2» на развитие дрожжевых популяций в «плотном» сусле концентрацией 20% СВ вносили порошкообразный биосорбент в дозировках от 0,1 до 2,0% масс./об. Сусло было приготовлено как с добавлением мальтозы, так и без такового.
Введение в сусло сорбирующего препарата «ОД-2» позволило существенно активировать дрожжевые клетки. Так, в варианте при дозировке биосорбента 1,0% масс./об. конечный титр дрожжевых клеток почти вдвое превышал аналогичный показатель контрольного варианта. Прирост титра дрожжей при обеих использованных дозировках сорбирующего препарата «ОД-2» был сходным на протяжении всего периода культивирования.
Далее определили оптимальную дозировку биосорбента в диапазоне нормы внесения от 0,1 до 2% масс./об. Во всех вариантах с добавлением в сусло сорбирующего препарата «ОД-2» в условиях эксперимента наблюдалось существенное увеличение, как скорости развития дрожжевой популяции, так и суммарного содержания клеток по окончании культивирования. Однако улучшение результатов культивирования дрожжей по мере возрастания дозировки биосорбента с 0,1 до 2,0% масс./об. свелось к увеличению титра клеток всего на 4,3%. Поэтому можно рекомендовать в качестве достаточной для интенсификации развития дрожжевой популяции в «плотном» сусле, как с технологической, так и с экономической точек зрения дозировку биосорбента из диапазона 0,1 – 0,4% масс/об.
В диссертационной работе были сопоставлены результаты применения ферментолизата и биосорбента «ОД-2» с целью активации развития дрожжевой популяции в «плотном» сусле в рамках одного эксперимента. Эти результаты оценивали по показателям сброженной среды: действительному экстракту и содержанию этанола.
Оба препарата обеспечили интенсификацию развития дрожжевой популяции, но при прочих равных условиях большим эффектом обладал ферментолизат дрожжей (содержание этанола на 15,1% больше, чем в контроле и на 11,3% больше, чем в образце с добавлением «ОД-2»).
3.2.3. Адаптация дрожжей к стрессовым условиям путем предобработки пероксидом водорода
С нашей точки зрения, перспективным являлся способ, заключающийся в отборе клеток рас дрожжей, традиционно применяемых в пивоварении, по признаку их устойчивости к воздействию неблагоприятных для развития дрожжевой популяции факторов, характерных для «плотного» сусла. Такой отбор может быть индуцирован обработкой клеток пероксидом водорода.
Наилучшие результаты при сбраживании сусла с концентрацией 20% СВ обеспечило применение подготовки посевного материала, включающей получение инокулята на 3%-ном сусле в течение 24 ч при 28°С, обработку его раствором пероксида водорода в концентрации 100 мМ, разбраживание инокулята в 20%-ном сусле в течение 24 ч при 28°С, и последующее использование полученного материала для засева (рисунок 1).
Рисунок 1 - Убыль массы образца «плотного» сусла, сбраживаемого после засева инокулятом, обработанным пероксидом водорода (концентрация 100 мМ) и разброженным в 20 %-ном сусле в течение 24 ч.
На основе экспериментов был сделан следующий вывод: помимо необходимости обработки семенных дрожжей пероксидом водорода обязательным является их предварительное культивирование на сусле той же высокой плотности, что и у производственного.
Дрожжи при сбраживании «плотного» сусла подвергаются стрессу ещё и из-за высокой концентрации этанола в конце процесса. Учитывая, что обработка пероксидом водорода позволяет значительно повысить осмотическую устойчивость дрожжей, было изучено изменение устойчивости дрожжевой культуры к этанолу под действием такой обработки.
В эксперименте концентрации этанола в образцах сусла составили 0; 1,0; 5,0 и 10,0% об. Сбраживание вели 4 суток при температуре 13 – 14С. Полученные результаты приведены в таблице 3. Варианты, обозначенные в таблице «Контроль», получены с использованием необработанной дрожжевой суспензии. Варианты, обозначенные «Опыт», получены с применением суспензии дрожжей, обработанной пероксидом водорода.
Таблица 3 - Влияние обработки суспензии семенных дрожжей пероксидом водорода на устойчивость дрожжей к этанолу
| Вариант | Содержание этанола, % об. | Жизнеспособные клетки, млн/см3, 0 сутки | Жизнеспособные клетки, млн/см3, 4 сутки |
| Контроль | 0 | 57 | 281 |
| Опыт | 0 | 345 | |
| Контроль | 1 | 213 | |
| Опыт | 1 | 294 | |
| Контроль | 5 | 101 | |
| Опыт | 5 | 150 | |
| Контроль | 10 | 35 | |
| Опыт | 10 | 90 |
Видно, что во всех опытных вариантах количество жизнеспособных дрожжевых клеток выше, чем в соответствующих контрольных. Важно отметить, что активирующий эффект обработки семенных дрожжей пероксидом водорода был тем значительнее, чем выше было исходное содержание этанола в сусле, то есть, чем более сложными были стартовые условия развития популяции. Так, при 10%-ном содержании этанола разница в титре клеток на 4 сутки составила 157%. Кроме того, контрольные (необработанные) дрожжи продемонстрировали убыль числа жизнеспособных клеток почти на 40%, тогда как обработанные – прирост на 58%.
Таким образом, обработка дрожжевой суспензии пероксидом водорода позволяет снизить отрицательное влияние на процесс брожения этилового спирта, даже если он присутствует в сусле с самого начала процесса.
3.2.4. Снижение осмотического давления в сбраживаемом сусле за счет дробного внесения мальтозы
Выше обсуждалось, что одним из факторов, существенно угнетающим развитие дрожжевой популяции при сбраживании сусла с высокой концентрацией сухих веществ, является осмотический стресс.
В нашей работе решено было устранить негативное влияние этого фактора за счет дробного внесения мальтозы непосредственно в ходе главного брожения. Введение дополнительной порции углеводов проводилось только после того, как часть экстракта, уже присутствовавшего в сусле, была утилизирована (в аэробных условиях) или сброжена (в анаэробных). Предельной концентрацией сусла нами были выбраны 11% СВ, то есть значение, характерное для классического пивоварения, к которому большинство рас дрожжей адаптированы в достаточной степени. При этом общее количество углеводов, присутствовавших в сусле в момент его засева дрожжами и добавленных в ходе главного брожения, должно равняться таковому, содержащемуся в «плотном» сусле.
Был проведен эксперимент, в котором титр клеток после засева сусла составил 19,0 млн жизнеспособных клеток/см3. Рассчитанное количество экстракта растворяли в небольшом объеме бродящего сусла, полученную смесь добавляли к основной части сусла. Результаты представлены в таблице 4.
Таблица 4 - Изменение показателей сбраживаемой среды при получении пива (концентрация начального сусла 19%) за счет дробного внесения мальтозы
| Сутки брожения | Контроль | Опыт | ||||
| СВ, % | Титр клеток, млн/см3 | СВ, % | Титр клеток, млн/см3 | |||
| общий | жизне-способных | общий | жизне-способных | |||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 0 | 19,0 | 24,0 | 19,0 | 11,0 | 24,0 | 19,0 |
| 2 | 10,5 | 35,0 | 27,0 | 5,6 | 36,3 | 29,0 |
| 4 | 8,0 | 41,6 | 30,4 | 6,0 | 42,8 | 35,1 |
| 8 | 6,0 | 127,0 | 90,0 | 5,3 | 130,0 | 89,7 |
| 10 | 6,0 | 8,5 | 3,5 | 4,5 | 17,8 | 8,0 |
В столбце 5 таблицы 4 приведены значения видимого экстракта в соответствующие сутки главного брожения, определенные до внесения в сусло очередной порции мальтозы.
Эффективность интенсификации сбраживания «плотного» сусла за счет дробного внесения мальтозы подтверждается значениями общего титра и количеством жизнеспособных дрожжей по окончании сбраживания после 10 суток процесса.
Все это свидетельствует о том, что поддержание умеренной плотности начального сусла играет важную роль в обеспечении хорошего физиологического состояния дрожжевых клеток и, как следствие, их эффективного размножения и последующего сбраживания сусла.
3.2.5. Комплексная интенсификация сбраживания «плотного» сусла
На предыдущих этапах нашей работы были предложены два подхода к интенсификации сбраживания «плотного» сусла, один из которых основан на улучшении свойств семенных дрожжей за счет их обработки раствором пероксида водорода, а другой – на улучшении условий развития дрожжевой популяции за счет поддержания умеренной концентрации сухих веществ в питательной среде. Оба этих подхода показали свою эффективность. Поэтому на заключительном этапе исследований было решено рассмотреть результативность их совместного применения, а также использование других технологических приемов. Для этого сформировали 4 варианта: 1) сусло концентрацией 11% СВ, засеянное дрожжами без обработки пероксидом водорода, с дробным внесением мальтозы; 2) сусло концентрацией 11% СВ, засеянное дрожжами, обработанными пероксидом водорода, с дробным внесением мальтозы; 3) сусло концентрацией 19% СВ, засеянное дрожжами без обработки пероксидом водорода (контроль); 4) сусло концентрацией 19% СВ, засеянное дрожжами, обработанными пероксидом водорода. Результаты эксперимента представлены в таблице 5.
Таблица 5 - Остаточный видимый экстракт после сбраживания сусла с начальной концентрацией 19% СВ с использованием технологических приемов: обработка дрожжей пероксидом водорода и дробное внесение мальтозы
| Сутки брожения | СВ, %, в варианте | |||
| 1 | 2 | 3 | 4 | |
| Остаточный видимый экстракт, % | 4,6 | 4,3 | 5,9 | 4,6 |
Наименьший видимый экстракт (4,3%) наблюдался в варианте 2, в котором сочетались оба приема интенсификации сбраживания сусла с высокой концентрацией сухих веществ: обработка суспензии семенных дрожжей раствором пероксида водорода и дробное внесение мальтозы. Аналогичная картина наблюдалась при определении общего титра дрожжевых клеток.
В нашей работе был рассмотрен вопрос об эффективности сочетания таких технологических приемов, как поддержание умеренной плотности сусла за счет дробного внесения мальтозы и обогащения среды источниками легкоусваиваемого дрожжами азота. В эксперименте было сформировано 4 варианта: 1) дробное внесение мальтозы без добавления азотистых веществ; 2) дробное внесение мальтозы с добавлением ферментолизата; 3) единовременное внесение мальтозы без добавления азотистых веществ (контроль); 4) единовременное внесение мальтозы с добавлением ферментолизата. Полученные результаты представлены в таблице 6.
Таблица 6 - Остаточный видимый экстракт после сбраживания сусла с начальной концентрацией 19% СВ с использованием технологических приемов: обогащение сусла ферментолизатом и дробное внесение мальтозы
| Сутки брожения | СВ, %, в варианте | |||
| 1 | 2 | 3 | 4 | |
| Остаточный видимый экстракт, % | 4,5 | 4,3 | 4,9 | 4,8 |
С точки зрения развития популяции и накопления общего количества дрожжевых клеток наиболее целесообразным является сочетание дробного внесения мальтозы и задача ферментолизата. Результаты эксперимента, подтверждающие данное утверждение представлены в таблице 7.
Таблица 7 – Изменение общего титра клеток дрожжей в процессе сбраживания сусла с начальной концентрацией 19% СВ с использованием технологических приемов: обогащение сусла ферментолизатом и дробное внесение мальтозы
| Сутки брожения | Общий титр клеток дрожжей, млн/см3 | |||
| 1 | 2 | 3 | 4 | |
| 0 | 12,0 | 12,0 | 12,0 | 12,0 |
| 7 | 52,0 | 62,0 | 46,0 | 51,0 |
Очевидно, что дробное внесение мальтозы оказывается эффективнее других способов интенсификации сбраживания «плотного» сусла, применяемых по отдельности. По нашему мнению, именно этот технологический прием может быть основой для ускорения сбраживания сусел с высокой концентрацией сухих веществ, и в комбинации с ним могут реализовываться другие методы активизации развития дрожжевой популяции в «плотном» сусле при его сбраживании.
В дополнительном эксперименте, проведенном в сходных условиях, интенсификацию сбраживания сусла обеспечивали за счет дробного внесения мальтозы (Опыт 1) и, кроме того, введения в сусло перед началом сбраживания аспарагиновой кислоты в дозировке, повышающей концентрацию аминного азота на 200 мг/100 см3 сусла (Опыт 2). Помимо показателей, контролируемых ранее, определили также концентрацию диацетила. Полученные значения для молодого пива на 9-ые сутки главного брожения приведены в таблице 8.
Таблица 8 - Содержание диацетила (мг/дм3) в молодом пиве после сбраживания сусла с начальной концентрацией 19% СВ, обогащенного аминным азотом, при дробном внесении мальтозы
| Вариант: | Контроль | Опыт 1 | Опыт 2 |
| Содержание диацетила на 9-ые сутки, мг/дм3: | 0,93 | 0,85 | 0,37 |
Концентрация диацетила в Опыте 2 значительно меньше (в 2 раза), чем в контроле. В варианте с дробным внесением мальтозы эффект менее выражен, однако содержание диацетила так же меньше, чем в контроле. Это значит, что методы интенсификации, которые были разработаны и апробированы, приводят не только к интенсификации сбраживания, но и к улучшению важного органолептического параметра, позволяя сократить продолжительность стадии дображивания и созревания пива.
3.2.6. Получение и анализ характеристик готового пива, полученного разработанными ранее способами интенсификации
На заключительном этапе нашей работы мы определяли характеристики готового пива (нефильтрованного), полученного способами интенсификации, разработанными ранее.
Первый вариант был контрольным без изменения в технологии сбраживания «плотного» сусла: сбраживали сусло 19% СВ (в сусло 11% СВ вносили мальтозу до 19% СВ) и дрожжи перед внесением не обрабатывали. Второй образец - пиво, полученное сбраживанием сусла 19% СВ после предобработки дрожжей пероксидом водорода. К третьему варианту мальтозу добавляли в ходе главного брожения, после засева сусла дрожжами и измерения величины видимого экстракта так, чтобы концентрация сухих веществ не превышала 11%, а их суммарное содержание равнялось 19%, как и в контроле. Рассчитанное количество мальтозы растворяли в небольшом объеме бродящего сусла, полученную смесь добавляли к основной части сусла.
В таблице 9 приведены качественные характеристики трех вариантов готового нефильтрованного пива.
Таблица 9 - Качественные характеристики готового пива, полученного с применением различных технологических приемов
| Параметр | Вариант 1 | Вариант 2 | Вариант 3 |
| Спирт, % об. | 8,5 | 8,8 | 9 |
| Действительный экстракт, % | 6,5 | 6,1 | 5,8 |
| Плотность начального сусла, % | 19,1 | 19,1 | 19,1 |
| Кислотность | 2 | 2,1 | 2 |
| Цветность | 0,7 | 0,7 | 0,7 |
| рН | 4,2 | 4 | 4,1 |
| Пеностойкость (R&C), сек | 125 | 123 | 128 |
| Дегустационная оценка, балл | 22,8 | 23,1 | 23,8 |
Таким образом, можно заключить, что предлагаемые в нашей работе технологические приемы позволяют получать пиво с характеристиками, не уступающими традиционным, достигая при этом экономические преимущества.
4. Выводы
1. Разработан новый способ сбраживания сусла при производстве пива по технологии «плотного» пивоварения на основе управления процессом внесения крахмальной патоки с высоким содержанием мальтозы, при котором дрожжевые клетки не подвергаются негативному воздействию высокого осмотического давления.
2. Определены параметры предобработки дрожжевой суспензии пероксидом водорода, обеспечивающие повышение осмо- и этанольной толерантности пивных дрожжей.
3. Разработан способ получения нового препарата, повышающего сбалансированность сусла как питательной среды для дрожжевой популяции, заключающийся в обработке автолизата осадочных пивных дрожжей микробным биокатализатором Протосубтилин Г10х; изучен аминокислотный состав препарата.
4. Проведено сопоставление влияния различных способов активации развития популяции пивных дрожжей и повышения степени сбраживания сусла:
- улучшения химического состава сусла за счет применения ферментных препаратов при затирании;
- обработки семенных дрожжей пероксидом водорода;
- внесения в сусло легкоусваиваемых дрожжами низкомолекулярных азотистых соединений в составе препарата, полученного из осадочных пивных дрожжей;
- дробное внесение мальтозы в процессе главного брожения.
Определено их влияние на результаты сбраживания сусла в технологии «плотного» пивоварения.
5. Изучена возможность комбинирования различных способов активации развития производственных пивных дрожжей; установлено, что наилучшие результаты обеспечивает совместные предобработка дрожжевой суспензии раствором пероксида водорода и дробное внесение мальтозы на стадии главного брожения.
6. Определены параметры процесса сбраживания сусла в технологии «плотного» пивоварения разработанным способом, обеспечивающие достижение значимых технологических и экономических результатов, доказана возможность сокращения стадий главного брожения и дображивания при сохранении качественных характеристик пива, не уступающих контрольным.
7. Установлены качественные характеристики готового пива, полученного в соответствии с разработанным в диссертационной работе способом; они соответствовали показателям пива, полученного обычным для технологии «плотного» пивоварения способом, или превосходили их.
8. Ожидаемый экономический эффект от внедрения технологии «плотного» пивоварения с дробным внесением крахмальной патоки с высоким содержанием мальтозы на стадии главного брожения составит 1,2 млн руб. на 1 млн дал пива в год.
Список работ, опубликованных по теме диссертации:
1. Карпенко, Д.В. Плотное пивоварение: проблемы и способы их решения [Текст] / Д.В.Карпенко, Е.О.Чуланов // Сб. докладов четвертой международной конференции-выставки «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации. Часть 1». – М.: Издательский комплекс МГУПП, 2006. - С. 298 – 300.
2. Чуланов, Е. О. Исследование воздействия перекиси водорода на интенсивность сбраживания дрожжами плотного и высокоплотного сусла [Текст] / Е.О.Чуланов, Д.В.Карпенко // Сб. материалов пятой юбилейной школы-конференции с международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации». — М.: Издательский комплекс МГУПП, 2007. - С. 221–225.
3. Карпенко, Д. В. Способ сбраживания сусла высокой плотности [Текст] / Д. В. Карпенко, Е. О. Чуланов, Д.А. Лапин // Пиво и напитки. – 2008. - №4. - С. 24 - 26.
4. Чуланов, Е. О. Интенсификация сбраживания сусла высокой плотности [Текст] / Е.О.Чуланов, Д.В.Карпенко // Сб. докладов шестой научно-технической конференции с международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации: эффективное использование ресурсов отрасли». — М.: Издательский комплекс МГУПП, 2008. - С. 97 – 100.
5. Чуланов, Е. О. Влияние пероксида водорода на устойчивость дрожжей к этанолу при сбраживании плотного и высокоплотного сусла [Текст] // Пиво и напитки. – 2008. - №5. - С. 16 - 17.
6. Карпенко, Д. В. Способы активации дрожжей при сбраживании плотного сусла [Текст] / Д. В. Карпенко, Е. О. Чуланов // Пиво и напитки. – 2008. - №5. - С. 26 - 27.
7. Карпенко, Д. В. Комплексные способы интенсификации сбраживания высокоплотного сусла [Текст] / Д. В. Карпенко, Е. О. Чуланов // Пиво и напитки. – 2008. - №6. - С. 21 - 22.
