Пиво - слабоалкогольный, жаждоутоляющий, игристый напиток с характерным хмелевым ароматом и приятным горьковатым привкусом. В пиве кроме воды, этилового спирта и диоксида углерода содержится значительное количество питательных и биологически активных веществ: белков, углеводов, микроэлементов и витаминов.

По цвету пиво делится на светлое и темное, а в зависимости от вида применяемых дрожжей - на пиво низового и верхового брожения. Около 90% производимого пива низового брожения приходится на светлые сорта, для которых характерны тонкий, слабовыраженный солодовый вкус, хмелевой аромат и ярко выраженная хмелевая горечь. Их готовят из светлого пивоваренного солода с добавкой несоложеных материалов (ячменя, рисовой сечки, обезжиренной кукурузы, сахара), воды, хмеля или хмелевых препаратов. При производстве темных сортов пива используются также специальные сорта солода (темный, карамельный). Поэтому темное пиво имеет солодово-карамельный сладковатый вкус, менее выраженную хмелевую горечь и более интенсивную окраску по сравнению со светлыми сортами.

Основным сырьём для производства пива является солод. Приготовления солода происходит на солодовенных отделениях пивоваренных заводов или непосредственно на солодовенных заводах. Через два месяца после уборки урожая, ячмень отлеживается и дозревает. Д.лее его подвергают очистке от примесей, сортировке, и, наконец замачивают в воде, далее идет проращивание, которое происходит в солодовнях. Предшественником современных солодовен вплоть до середины 20 века, были токовые солодовни, функционирующие чаще всего непосредственно при пивоваренных заводах, которые были вынуждены сами заботиться о приготовлении солода для своих нужд. Процесс солодоращения в токовых солодовнях осуществлялся на гладком ровном полу-току. Основным недостатком токовых солодовен является большое количество ручного труда при практически полном отсутствии механизации. Со второй половины XIX века были начаты работы по повышению уровня механизации солодовен, что можно считать зарождением солодовенной инженерии. В настоящее время повсеместно используют пневматические солодовни, технологический процесс в которых не зависит от климатических условий и может осуществляться круглосуточно. За время проращивания происходит накопление ферментов - катализаторов и превращение сложных веществ зерна в более простые. После проращивания солод направляют на сушку, затем отделяют ростки и готовый солод направляют на отлежку.

1.1. Задачи и цели солодовенного производства

В производстве солода можно выделить следующие стадии: мойка и замачивание ячменя, солодоращение, сушка свежепроросшего солода, отделение от высушенного солода ростков.

Мойка и замачивание зерна. Технологическими целями мойки зерна являются:

- удаление загрязнений с поверхности зерна;

- удаление лёгких примесей (сплава), плотность которых меньше плотности воды;

- предварительное увлажнение зерна;

- дезинфекция зерна.

Мойку ячменя осуществляют в моечных аппаратах. При этом в процессе мойки необходимо обеспечить:

- загрузку и выгрузку зерна;

- подвод промывной воды;

- перемешивание зерна;

- подвод дезинфицирующих агентов;

- отвод грязной воды;

- удаление и утилизацию сплава.

Технологической целью замачивания является активизация зерна перед проращиванием за счёт его увлажнения до 43…48% -го содержания влаги, при котором обеспечивается хорошее растворение эндосперма и биосинтез ферментов.

Замачивание зерна осуществляют в замочных аппаратах, при этом в процессе замачивания необходимо организовать:

- загрузку и выгрузку зерна;

- подвод и равномерное распределение воздуха в аппарате для аэрации зерна;

- удаление диоксида углерода из зерновой массы;

- отвод замочной воды.

Солодоращение. Технологической целью солодоращения является обогащение зерна ферментами, которые активно синтезируются в процессе проращивания.

Солодоращение осуществляется в солодорастильных аппаратах в течение 5…7 суток, при этом необходимо обеспечить:

- загрузку и равномерное распределение замоченного зерна в солодорастильном аппарате;

- кондиционирование воздуха;

- подвод воздуха для дыхания зерна;

- удаления диоксида углерода, выделяемого при дыхании зерна;

- отвод теплоты, выделяющейся в процессе жизнедеятельности зерна;

- подвод влаги для предотвращения подвяливания зерна;

- периодическое ворошение зерна;

- выгрузку свежепроросшего солода из солодорастильного аппарата.

Ворошение зерна в процессе проращивания осуществляют во избежание превращения сыпучей массы в сплошной "монолит", который может образовываться за счёт переплетения солодовых ростков, и для улучшения тепло - и массообмена в слое зерна.

Сушка свежепроросшего солода. Технологическими целями сушки пивоваренного солода являются:

- подавление физиологических и ферментативных процессов в зерне;

- снижение влажности солода до 3-4% для обеспечения его продолжительного хранения и транспортировки;

- тепловая обработка, в результате которой солод приобретает специфические органолептические показатели (вкус, цвет и аромат);

- придание хрупкости и ломкости солодовым росткам.

Сушку солода осуществляют в солодосушилках с использованием в качестве сушильного агента горячего воздуха. Продолжительность сушки, в зависимости от принятой технологии, составляет от 18 до 36 часов.

При организации процесса сушки необходимо обеспечить:

- загрузку и равномерное распределение свежепроросшего солода в сушилке;

- подготовку сушильного агента (нагрев воздуха);

- подвод горячего воздуха к объекту сушки;

- устранение неравномерности высушивания солода;

- рекуперация тепловой энергии;

- охлаждение свежевысушенного солода;

- выгрузку высушенного солода из сушилки.

Отделение ростков. Технологической целью этой операции является освобождение свежевысушенного солода от ростков, придающих пиву горечь.

Отделение ростков осуществляют в росткоотбойных машинах или пневматических росткоотбойных установках. Освобожденный от ростков солод направляют в зернохранилище или силоса элеватора на отлежку, продолжительность которой должна составлять не менее 30 суток, а солодовые ростки, являющиеся отходом солодовенного производства, - в бункер для последующей отгрузки на утилизацию (предприятиям микробиологической промышленности, животноводческим фермам).

При производстве солода от стадии к стадии происходят изменения массы и объёмов перерабатываемого продукта.

Для ориентировочных расчетов обычно принимают выход товарного пивоваренного солода из очищенного и отсортированного ячменя 80%, но в технически совершенных современных солодовнях он может достигать 82…83%. Ячмени разного качества хранят и перерабатывают отдельно, и только партии готового солода смешивают друг с другом в целях выравнивания качества товарного солода и обеспечения в дальнейшем стабильности вкуса выпускаемого пива.

1.2. Процессы, происходящие при солодоращении

В результате увеличения влажности зерна при замачивании резко усиливается жизнедеятельность и в первую очередь дыхание зерна, сопровождающееся потребностью в кислороде. Вместе с тем запас кислорода в воде очень быстро уменьшается, например, при замачивании ячменя на 60...80 мин он исчезает, поэтому обеспечение зерна кислородом затруднено. При кислородном голодании образуется этиловый спирт, вредно влияющий на жизнеспособность зародыша. В таких условиях частично нарушается структура тканей, и зерно легко переувлажняется. Во время последующего проращивания требуются длительная перестройка типа дыхания, сжигание спирта и других метаболитов, на образование которых были затрачены углеводы. Отсюда следует, что с самого начала замачивания должны быть созданы условия для нормального дыхания зерна.

При замачивании зерна одновременно с усилением дыхания происходит глубокая перестройка всего ферментного комплекса.

Морфологические и цитолитические изменения зерна

При проращивании в зерне происходят процессы распада и синтеза. В эндосперме гидролизуются резервные вещества - крахмал, белки, а также пектиновые вещества, гемицеллюлозы, целлюлоза; образующиеся растворимые продукты поступают через щиток в зародыш. В результате процессов синтеза из зародыша вырастают стебелек и корешки.

При проращивании ячменного зерна в течение 10 суток происходят морфологические изменения. Корешки выходят наружу и в зависимости от длительности проращивания имеют большую или меньшую длину. Стебелек скрыт под мякинной оболочкой и становится видимым лишь в конце солодоращения. У единичных зерен стебелек показывается раньше, образуя белого цвета "шпору", называемую в производстве "гусаром".

Наряду с морфологическими происходят цитолитические изменения - нарушения клеточной структуры (растворение) эндосперма. Зона растворения почти точно следует за длиной стебелька, по которой можно судить о готовности солода.

Цитолитические ферменты в процессе проращивания зерна также активируются, и активность их возрастает до определенного времени. Наибольшей активности цитазы соответствует переход твердого состояния мучнистого тела в рыхлое, когда эндосперм легко может быть растерт между пальцами.

Биохимические изменения зерна

При солодоращении наибольшую каталитическую активность проявляют кислые протеиназы, активаторами которых служат сульфгидрильные соединения, содержащие группу - Н, цистин и восстановленный глютатион. В первые сутки проращивания зерна количество глютатиона значительно увеличивается, причем в зародыше более энергично, чем в эндосперме. В последующие сутки накопление глютатиона в зародыше происходит медленнее, но все время в зародыше его больше, чем в эндосперме.

Активность кислой протеиназы в продолжение солодоращения возрастает приблизительно в 40 раз. Пептидазная активность проявляется также сильно, но позже протеиназной.

К концу проращивания в зерне накапливаются довольно активные липаза и фосфатаза (фитаза, нуклеотидаза). Активность фосфатазы тем выше, чем ниже температура солодоращения.

В результате проращивания повышается активность обеих групп ферментов, но соотношение их активности резко изменяется в обратную сторону и тем сильнее, чем ниже температура. Поэтому в процессе солодоращения накапливается значительное количество гидролитических ферментов при сравнительно небольших тратах крахмала на дыхание.

Изменение химического состава зерна

Несмотря на то, что солодоращение протекает при сравнительно низких температурах, сильно отличающихся от оптимальных для действия ферментов, за время проращивания зерна происходят существенные изменения его химического состава.

Наибольшие преобразования претерпевает крахмал - основной резервный углевод зерна. Приблизительно 20% от всего его количества гидролизуется: из них 8...9% расходуется на дыхание, 3...4% на построение стебля и корней и 8...10% остается в виде сахара, придающего солоду сладкий вкус. Свободные сахара состоят главным образом из сахарозы, инвертного сахара и мальтозы. При температуре проращивания 15...16єС образуются преимущественно сахароза и продукты ее гидролиза, при температуре 20...23°С - мальтоза. Белковые вещества также претерпевают значительные изменения. Общее содержание азота на протяжении всего периода солодоращения остается практически таким же, содержание аминного азота резко возрастает на 6...8-е сутки, а затем темпы роста замедляются. Белки исходного ячменя гидролизуются примерно на 55%, из которых около 23% сосредоточивается в проростках в виде качественно иных белков. При солодоращении освобождается инозит и возрастает содержание других витаминов - тиамина и рибофлавина, имеющие важное значение для жизнедеятельности и бродильной энергии дрожжей. Образуются эфиры и другие соединения, придающие солоду специфический запах свежих огурцов.

1.3. Процессы, происходящие при сушке солода

Свежепроросший солод для производства пива применять нельзя, так как он имеет сырые запах и вкус, в нем нет красящих и ароматических веществ, много содержится растворимых белковых веществ, образующих стойкую муть. Чтобы получить пиво, удовлетворяющее всем требованиям, свежепроросший солод необходимо высушить.

В процессе сушки свежепроросшего солода в нем изменяются не только влажность и объем, но и цвет, вкус, аромат, химический состав. Процесс сушки делится на две стадии: подсушивание (подвяливание) и сушка. На первой стадии еще продолжаются жизнь зародыша и ферментативные процессы. На второй стадии с повышением температуры жизнь зародыша и активность ферментов практически прекращаются, и в это время протекают только химические процессы. В зависимости от характера протекающих в солоде процессов различают три стадии сушки: физиологическую, ферментативную и химическую.

Физиологическая фаза - это время нагревания солода от 20-25єС до 45єС. При этом продолжается рост зародыша и корешков, протекают ферментативные процессы, влажность солода уменьшается до 30%.

Ферментативная фаза происходит в интервале температур 45-70єС, когда рост зародыша прекращается, а ферментативные, в частности гидролитические процессы, усиливаются, так как оптимум действия гидролитических ферментов лежит в интервале 45-60єС.

Химическая фаза - это пребывание солода при температурах 75-105єС. С повышением температуры более 75єС все ферментативные реакции прекращаются, так как ферменты частично инактивируются, а оставшиеся из-за низкой влажности не проявляют своего действия.

Для химической фазы характерны образование аромата, частичная инактивация ферментов, коагуляция (свертывание) белков. Происходит так же интенсивное образование меланоидинов - продуктов взаимодействия аминокислот с редуцирующими сахарами. При меланоидиновой реакции образуются различные альдегиды (оксиметилфурфурол, ацетальдегид, метилглиоксаль и др.), придающие солоду приятный вкус и аромат. Конечные продукты этой реакции (вещества коричневого цвета) обуславливают цвет солода. Меланоидины обладают слабокислой реакцией и редуцирующими свойствами, способствуют пенообразованию, так как часть их находится в коллоидном состоянии. Скорость реакции меланоидинообразования зависит от температуры, концентрации аминосоединений и редуцирующих сахаров, pH среды.

2. Современные аспекты технологии солода

В настоящее время современная солодовенная инженерия становится технически сложной и наукоёмкой. Поэтому необходимо принципиально новое понимание организации технического развития солодовенного производства, гарантированно обеспечивающего более высокую отдачу при меньших издержках.

Современный этап технического развития солодовенных производств невозможен без применения комплексного системного подхода, что позволяет получить целостное представление о производстве.

Системный подход способствует повышению эффективности научных, проектных и конструкторских работ в области совершенствования существующих и создания новых высокоэффективных процессов и оборудования для производства пивоваренного солода.

На современном этапе развития отечественной солодовенной отрасли промышленности в условиях обострения конкуренции на российском рынке, как среди отечественных, так и зарубежных производителей солода на первый план выдвигаются проблемы повышения качества и функционирования солодовенных производств как системы, которая включает, прежде всего, следующие понятия:

- технологическую эффективность;

- экономичность;

- управляемость;

- экологичность.

Технологическая эффективность и экономичность производства солода, как и любой другой технологии, в значительной степени зависят от технического совершенствования оборудования и от варианта инженерного решения конкретной технологической задачи.

В основе современной концепции технического и технологического совершенствования солодовенного производства лежат несколько основных принципов:

- выбор качественного ячменя; применение совершенного зерноочистительного оборудования;

- применение технически совершенного транспортирующего оборудования, обеспечивающего бережную транспортировку зерна;

- применение технически совершенного замочного, солодорастильного и солодосушильного оборудования;

- обеспечение требований производственной санитарии.

2.1. Замачивание ячменя

Замачивание ячменя - искусственное насыщение ячменя водой - осуществляется в целях активизации ферментных систем, способствующих проращиванию.

Степень замачивания. Жизнедеятельность зерна активизируется с появлением в нём свободной влаги. При этом роль воды сводится, во - первых, к обеспечению перехода растворимых питательных веществ в раствор и транспортирование к зародышу и, во вторых, к созданию возможности для проникновения в эндосперм ферментов, способствующих перевод резервных веществ зерна в растворимое состояние.

Влажность зерна до мойки и замачивания обычно не превышает 14,5%, а при замачивании 42…48% относительно общей массы. Конечную влажность замоченного зерна называют степенью замачивания. Повышение влажности зерна осуществляется неравномерно - вначале сравнивается быстро, а затем замедляется. Светлый солод замачивают до влажности 42…43%, а тёмный 45…48%.

Очень важно обеспечить оптимальную степень замачивания зерна, поскольку при недостаточной степени замачивания затрудняется каталитическое действие ферментов, что приводит к снижению экстрактивности и качества солода, а при высокой степени замачивания повышается биосинтез ферментов и осуществляется более глубокий ферментативный гидролиз крахмала и ферментов. Перезамачивание не допустимо, поскольку это приводит к разрушению семенной оболочки и нарушению полупроницаемости, вследствие чего в ячмень начинают проникать соли из воды, приводящие к гибели зародыша.

В процессе замачивания зерно набухает, и вследствие этого примерно на 45% увеличивается в объёме. Это обстоятельство необходимо учитывать при расчёте вместимости замочных аппаратов. Химические изменения в зерне при замачивании незначительны.

Степень замачивания контролируют в лабораторных условиях. Ориентировочно о завершении замачивания можно судить и по следующим признакам:

при сдавливании между большим и указательным пальцами, в продольном направлении, зерно должно сгибаться (но не раскалываться) с характерным потрескиванием, возникающем при отделении эндосперма от мякинной оболочки;

при сдавливании зерна между пальцами в продольном направлении не должны ощущаться уколы от его острых концов;

при сгибании зерна на ногте большого пальца оболочка отстаёт, но зерно не ломается;

поперечный срез зерна посередине должен иметь белую точку.

В замоченном ячмене не должно быть сильное развитие корешков, так как это способствует их повреждению при транспортировании замоченного зерна.

Факторы, влияющие на замачивание. Оптимизация режима замачивания является важнейшей предпосылкой для получения качественного солода. На эффективность замачивания влияют следующие факторы:

однородность зерна;

степень аэрации зерна;

содержание двуокиси углерода;

температурный режим.

Способы замачивания ячменя.

Замачивание промытого и продезинфицированного ячменя проводят воздушно-водяным способом, в непрерывном потоке воды и воздуха, оросительным и воздушно-оросительным способами в замочном чане или в солодорастильном аппарате при температуре не ниже 12 и не выше 17єС.

При воздушно-водяном замачивании зерно попеременно находится то под водой (водяное замачивание), то без неё (воздушное замачивание). Такое чередование повторяется через каждые 3-6 часов.

Для поддержания аэробного дыхания зерно каждый час продувают воздухом в течение 10 минут, независимо от того находится ли оно под водой, или на воздухе. Через 8 часов зерно вместе с замочной водой продувают сжатым воздухом.

При этом способе замачивания для дезинфекции в воду часто добавляют хлорную известь. Однако в конце замачивания ячмень следует обязательно отмывать от хлора, который придаёт пиву неприятный вкус.

При оросительном замачивании после мойки и удаления сплава поверхность зерна в замочном аппарате непрерывно орошается распыляемой водой, подаваемой через медленно вращающееся сегнерово колесо. Вода при распылении насыщается воздухом, проходит через слой зерна, увлекая с собой накопившийся диоксид углерода, и выводится снизу. Зерно находится под водой первые 6-8 часов, остальное время вода поступает только через оросительтное устройство.

При этом способе замачивания зерно замачивается и прорастает неравномерно: в верхних слоях быстро, а в нижних остаётся недозамоченным. Поэтому оросительное замачивание лучше сочетать с аэрацией снизу вверх.

Воздушно-оросительное замачивание является комбинированным способом, по которому зерно периодически орошается водой, а путём отсоса воздуха из межзернового пространства создаются стабильные условия аэробного дыхания зерна. Для этого над замочным аппаратом устанавливают сегнерово колесо или коллектор с форсунками для орошения водой поверхности зерна. Внизу аппарата в подситовом пространстве вварена труба, с помощью которой аппарат подключается к вакуум-насосу.

По этому способу зерно под водой находится в течение 30% всей продолжительности замачивания, а 70% времени орошается и аэрируется.

Наибольшее распространение в солодовенном производстве получили моечные и замочные аппараты с цилиндрическим корпусом и коническим днищем. Оптимальная вместимость таких аппаратов составляет обычно от 35 до 65 тонн зерна. По этой причине в крупных солодовенных производствах при одновременном замачивании ячменя более 70 тонн используют группы замочных аппаратов.

Однако увеличение замочных аппаратов ведёт к повышению капитальных затрат и удорожанию системы автоматизации производства. Поэтому при проектировании новых солодовенных производств или реконструкции существующих солодовен необходимо руководствоваться принципом масштабирования, то есть, стремиться к уменьшению количества оборудования за счёт увеличения его единичной мощности.

В связи с этим в последующие годы для замачивания ячменя начали применять замочные аппараты цилиндрической формы с плоским днищем, вместимость которых соответствует одноразовой загрузке солодорастильных аппаратов.

Аэрацию зерна в моечных аппаратах осуществляют различными способами:

с применением эрлифта, при котором воздух в аппарат нагнетают через одно или несколько сопел, расположенных в нижней конической части аппарата под центральной трубой;

с помощью барботеров - колец различного диаметра из перфорированных труб, расположенных на разных уровнях в конической части замочного аппарата;

с применением эжекторов - струйных аппаратов, в которых за счёт кинетической энергии прокачиваемой жидкости создаётся разряжение и подсасывается воздух;

через форсунки, равномерно расположенные в несколько ярусов по окружности конического днища замочного аппарата.

При аэрации с применением барботеров или эрлифта, образуются сравнительно большие воздушные пузыри, при этом массоперенос кислорода, осуществляемый преимущественно через стенки воздушных пузырей, менее интенсивен, а следовательно, и дыхание зерна происходит менее эффективно.

При использовании открытых моечных и замочных аппаратов аэрацию зерна в период водяной фазы замачивания и удаления диоксида углерода в период воздушной фазы замачивания осуществляют традиционным образом: воздух с помощью воздуходувки забирают из помещения и продувают через слой зерно-водяной смеси в аппарате, при чём отработанный воздух возвращается в то же помещение. При такой организации процесса необходимо осуществлять воздухообмен и поддерживать температуру на оптимальном уровне.

В современных солодовнях при использовании закрытых моечных и замочных аппаратов организацию воздушных потоков при замачивании зерна осуществляют иначе: воздух с помощью воздуходувки забирают из помещения, продувают через слой зерно-водяной смеси в аппарате, а отработанный воздух выбрасывается за пределы здания по воздуходуву, соединяющему крышку аппарата с атмосферой.

Во избежание переохлаждения или перегрева замоченного зерна при удалении диоксида углерода во время воздушной фазы замачивания в холодные, зимние или жаркие, летние времена года, атмосферный воздух, поступающий в замочные аппараты непосредственно с улицы, подвергают тепловой обработке - подогревают или охлаждают.

На практике встречаются и другие способы аэрации и удаления диоксида углерода в процессе замачивания ячменя.

2.2. Проращивание зерна