Гидродинамические условия в заторном аппарате способствуют интенсификации тепло- и массообмена в процессе затирания. Оптимальные гидродинамические условия обеспечивают перемешиванием заторной массы. Специфической особенностью организации перемешивания затора является то, что его интенсивность должна быть достаточной для обеспечения однородности заторной массы и равномерности ее параметров (концентраций, рН и температур) во всем объеме, но в то же время не слишком высокой, чтобы:

· во-первых, обеспечить невысокие значения напряжений сдвига в заторной массе, которые способствуют переходу в раствор высокомолекулярного в-глюкана, оказывающего негативное влияние на последующую обработку технологических сред;

· во-вторых, уменьшить количество захватываемого затором кислорода для минимизации окислительных процессов в технологических средах, оказывающих негативное влияние на качественные показатели сусла и пива.

Современные заторные аппараты оснащают перемешивающими устройствами с приводами, имеющими частотные регуляторы, что позволяет разные этапы затирания осуществлять в различных, наиболее благоприятных гидродинамических режимах[1].

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Изучение влияния качества воды и условий технологического процесса на экстрактивность пивного сусла.

Объекты исследования: пивное сусло неохмеленное, неосветленное, сваренное на солоде пилзенского типа.

Методы исследования:

Определение значений активной кислотности (pH) проводилось в соответствии с требованиями ГОСТ Р 53070-2008 «Пиво. Метод определения рН».

Определение содержания экстракта в сусле проводилось в соответствии с требованиями ГОСТ 12787-81 «Пиво. Методы определения спирта, действительного экстракта и расчет сухих веществ в начальном сусле».

Определение содержания редуцирующих сахаров в сусле методом, основанным на окислении альдоз йодом.

2.1 Методика постановки эксперимента

Для установления зависимости экстрактивности начального сусла от качества воды и условий технологического процесса было проведено три эксперимента. Во всех трех экспериментах сусла варились с применением солода сорта Пилзнер (Pilsner). В первом опыте изучалось влияние химического состава воды и способа ее обработки на экстрактивность начального сусла и количество редуцирующих сахаров. Во втором эксперименте изучалось влияние гидродинамических условии проведения процесса на качество начального сусла и количество в нем редуцирующих сахаров. В третьем эксперименте изучалось влияние продолжительности затирания на качественные показатели сусла.

В процессе проведения 1-го эксперимента была сварена серия лабораторных сусел на воде различного качества. Для этого использовалась водопроводная, талая, дистиллированная, питьевая вода торговой марки «Аэро», а так же вода, подвергнутая ионообменному способу очистки, профильтрованная через катионит или анионит. Для каждой воды была определена карбонатная (временная) жесткость.

Для установления влияния качества воды сусла варились в одинаковых технологических условиях, затем у каждого из них измерялись показатель активной кислотности (pH), экстрактивность, количество редуцирующих сахаров. На основании полученных данных, была выбрана вода, чьи показатели были наилучшими. Дальнейшие эксперименты проводились с этой водой.

В ходе 2-го эксперимента было изучено влияние гидродинамических условии проведения процесса, а именно, зависимость качества начального сусла от интенсивности перемешивания затора. Проводились варки сусла с перемешиванием на различных этапах. Так же были сварены сусла без перемешивания в ходе всего процесса, так и с постоянным перемешиванием.

В процессе проведения 3-го эксперимента исследовалось влияние продолжительности затирания на качественные показатели сусла. Варились сусла с различным временем мальтозной паузы: в первом сусле она составляла 5 минут, в последнем - 25 минут, затем у каждого из них измерялись показатель активной кислотности (pH), экстрактивность, количество редуцирующих сахаров.

Таким образом, в ходе всех трех экспериментов было выявлено влияние различных факторов на качество начального сусла.

3. Результаты и их обсуждение

3.1 Результаты эксперимента №1

В таблице 8 приведены результаты определения временной жесткости воды, а так же показатели сусла, сваренного на воде различного качества.

Таблица 8 - Показатели жесткости воды и показатели качества сусла

Наименование воды	Показатель временной жесткости, моль/экв Ca2+ и Mg2+	Показатели сусла
		pH	Экстрактивность, %	Количество редуцирующих сахаров (по мальтозе), мг/100 мл
1	2	3	4	5
Водопроводная	3,5	6,820	7,164	17,6
Талая	0,5	6,551	7,189	17,6
Дистиллированная	0,1	6,378	7,214	20,52
«Аэро»	1,0	6,405	7,140	17,1
Профильтрованная через катионит	0,1	5,438	8,146	27,36
Профильтрованная через анионит	1,0	4,898	6,770	8,55

Необходимо отметить, что все из вод удовлетворяют требованиям, указанным в технологической инструкции по водоподготовке для производства пива и безалкогольных напитков.

3.2 Результаты эксперимента №2

В таблице 9 приведены показатели сусла, сваренного в различных технологических условиях.

Таблица 9 ? Влияние перемешивания на показатели качества сусла

Технологические условия процесса затирания	Показатели сусла
	pH	Экстрактивность, %	Количество редуцирующих сахаров (по мальтозе), мг/100 мл
1	2	3	4
Перемешивание на всех стадиях	5,725	7,509	27,36
Без перемешивания	5,960	3,421	17,1
Перемешивание на мальтозной паузе	5,852	6,473	20,52
Перемешивание на белковой и мальтозной паузах	5,352	9,751	34,2
Перемешивание на мальтозной паузе и осахаривании	5,438	8,146	27,36

По данным таблицы 9 видно, что прямой зависимости между интенсивностью перемешивания и содержанием экстракта в сусле нет. Можно лишь сказать, что перемешивание оказывает положительное влияние во время действия в?амилазы и отрицательное при действии б?амилазы.

3.3 Результаты эксперимента №3

В ходе эксперимента сусло варилось в одинаковых условиях, но с различной продолжительностью затирания. В таблице 10 приведены показатели сусла, сваренного с различной продолжительностью мальтозной паузы.

Таблица 10 ? Влияние продолжительности затирания на показатели качества сусла

Продолжительность мальтозной паузы, мин	Показатели сусла
	pH	Экстрактивность, %	Количество редуцирующих сахаров (по мальтозе), мг/100 мл
1	2	3	4
5	5,803	6,745	17,1
10	5,709	7,140	20,52
15	5,438	8,146	34,20
20	5,424	8,195	34,20
25	5,409	8,293	27,56

По данным таблицы 10 видно, что с увеличением времени мальтозной паузы увеличивается экстрактивность пивного сусла. Однако, количество восстанавливающих сахаров не изменяется. Оптимальная продолжительность мальтозной паузы для данного вида солода - 15 минут, далее экстрактивность пивного сусла и содержание редуцирующих сахаров возрастает незначительно.

3.4 Обсуждение результатов исследований

Качество воды является одним из основных факторов, определяющих качество пива, в том числе и такой важный параметр как экстрактивность пивного сусла. Важную роль в процессе затирания играют минеральные вещества, содержащиеся в воде. Они оказывают влияние, как на вкус готового напитка, так и на действие различных ферментов в ходе приготовления пива.

Положительное влияние на экстрактивность пивного сусла оказывают ионы Ca2+ и Mg 2+. Они обладают способностью снижать pH, сдвигая его в кислую сторону. Это благоприятно сказывается на активности ферментов, так как их оптимум pH лежит в слабокислой области. Кроме способности положительно влиять на pH сусла, ионы Ca2+ и Mg2+ являются кофакторами амилаз и протеаз солода, тем самым регулируя их активность. Однако карбонаты и гидрокарбонаты этих и других ионов повышают pH и оказывают отрицательное влияние на качество сусла. Для оценки влияния карбонатов и гидрокарбонатов было введено понятие «временной жесткости». Все эти факторы следует учитывать при подборе метода обработки воды для пивоваренного производства.

Крупные пивоваренные заводы, имеющие длительную историю, обладают собственными источниками качественной воды, например, артезианские скважины. В последние годы в пивоваренной отрасли наметилась тенденция расширения числа малых предприятии и создание пивоварен малой производительности, типичным примером является ОАО "Ивановская пивоварня". Для таких предприятий одной из актуальных проблем является водоподготовка, так как использование водопроводной воды для производства пива является нежелательным из-за высокого содержания железа и, использования хлорсодержащих соединении для её дезинфекции. Исходя из вышеизложенного, целью настоящей работы является исследование влияния предварительной обработки воды на качество пивного сусла.

Существует несколько методов водоподготовки, используемых в пищевой промышленности. Несомненно, самым затратным является дистилляция, особенно на фоне растущих цен на энергоносители. Наиболее перспективными, с технологической точки зрения, является применение для обработки воды с применением специфических сорбентов, таких как катиониты и аниониты. Данные сорбенты могут не только удалять минеральные примеси из воды, но и менять рН воды, что крайне важно, так как процесс получения пивного сусла относится к ферментативным и крайне чувствителен к малейшим изменение рН воды. При обработке воды фильтрацией через катионит происходит «замена» ионов Ca2+ и Mg2+, входящих в состав гидрокарбонатов и карбонатов, и как следствие, снижение временной жесткости, выделяющаяся при этом углекислота обуславливает смещение pH воды в кислую область. Основным показателем качества воды является временная жёсткость и рН.

В ходе экспериментов было исследовано 6 типов воды: дистиллированная, питьевая «Аэро», водопроводная, талая, обработанная катионитом и обработанная анионитом. Анализируя результаты, полученные в ходе эксперимента №1 можно сделать вывод, что чем выше показатель временной жесткости, тем выше pH сусла, что отрицательно сказывается на его экстрактивности и содержании редуцирующих сахаров. Это объясняется отрицательным влиянием карбонатов и гидрокарбонатов. Как оказалось, что по показателю временной жёсткости вода дистиллированная и профильтрованная через катионит являются одинаковыми, в то время как с экономической точки зрения обработка воды катионитом является более целесообразной. Кроме того показатель кислотности воды обработанной катионитом составляет 5,438, что является оптимумом как для протеолитических (белковая пауза), так и амилолитических (гидролиз полисахаридов) ферментов. Данный факт непосредственным образом сказался на экстрактивности пивного сусла, которое в случае водоподготовки с использованием катионита, была наибольшей. При длительной обработке воды фильтрацией через анионит можно достичь практически полного обессоливания, что крайне нежелательно для процессов пивоварения. Именно низким содержанием солей можно объяснить получение наихудших показателей сусла, полученного с применением воды, прошедшей фильтрацию через анионит. К этому следует добавить, что в данном сусле процесс осахаривания не прошел до конца. Даже при длительной выдержке затора йодная проба давала синее окрашивание. Несмотря, на то, что вода, профильтрованная через анионит, обладает жёсткостью в 4 раза меньше по сравнению с водопроводной, и оптимальным рН (?5,000), экстрактивность пивного сусла в этом случае получилась минимальной и даже существенно ниже по сравнению с водопроводной.

Воды талая, дистиллированная, питьевая оказались близкими по показателю экстрактивности, что позволяет сделать вывод, что их применение не даёт ни каких преимуществ по сравнению с самой дешёвой водопроводной водой.

Вторым важным показателем, определяющим качество сусла, является количество редуцирующих сахаров, которое оказалось максимальным при применении воды обработанной с применением анионита. Неожиданным оказался тот факт, что вода прошедшая обработку катионитом, является более хорошим сырьём по сравнению с дистиллированной водой.

На рисунках 1 и 2 приведены графики зависимости значений экстрактивности и количества восстанавливающих сахаров от временной жесткости. На рисунке 3 показана зависимость pH сусла от временной жесткости.

Рис.1? Зависимость значений экстрактивности сусла от временной жесткости



Рис.2 ? Зависимость количество восстанавливающих сахаров от временной жесткости

Рис.3 ? График зависимости pH сусла от временной жесткости

Временная жёсткость является одним из определяющих факторов, который обуславливает качество пивного сусла. Это следует из графиков 1, 2, 3. Так, экстрактивность сусла в случае водопроводной воды, которая является наиболее жёсткой, существенно ниже, по сравнению с водой с низкой жёсткостью, за исключением воды обработанной катионитом. Такая же зависимость наблюдается по количеству редуцирующих сахаров. Обращает на себя внимание тот факт, что зависимости являются практически линейными, за исключением того, что вода обработанная катионитом в них не укладывается. Из рисунка 3 следует, что рН воды, обработанной катионитом, является оптимальным для работы амилолитических ферментов солода.

Качество пивного сусла во многом зависит от технологии его получения. На него оказывает влияние, как степень измельчения солода, так и технологические режимы пауз. Оптимальные гидродинамические условия обеспечивают равномерным перемешиванием заторной массы. Главной особенностью организации перемешивания затора является то, что его интенсивность должна быть достаточной, что бы обеспечить однородность заторной массы и равномерности ее параметров (концентраций, рН и температур) во всем объеме, но в то же время не слишком высокой.

Силы сдвига, возникающие при перемешивании, способствуют разрушению комков. Для минимизации захвата кислорода и предотвращения неблагоприятного изменения структуры частичек мешалка должна обеспечивать равномерное перемешивание заторной массы. Нами было изучено влияние режима перемешивания на экстрактивность пивного сусла.

По результатам эксперимента №2 можно сделать вывод, что интенсивное перемешивание заторной массы отрицательно сказывается на качестве сусла. Это можно объяснить тем, что ферментам сложнее взаимодействовать с субстратом. Так же как видно из результатов эксперимента отсутствие перемешивания так же негативно сказывается на выходе экстракта. Это объясняется неравномерностью нагревания и малой интенсивностью процессов массообмена. Отсутствие перемешивания приводит к слеживанию материала и затруднению доступа ферментов к субстрату. Максимальный выход экстракта наблюдается при работе мешалки в начальные периоды затирания, при протекании белковой и мальтозной пауз. Из полученных данных можно сделать вывод, что используемая на заводе технология является правильной.

Подбор оптимальных условий перемешивания имеет не только технологическую, но и экономическую целесообразность. Это заключается в сокращении расхода энергии на работу мешалки. Современные заторные аппараты модернизированы мешалками различной формы с частотным регулированием.

Так же в ходе работы было исследовано влияние времени мальтозной паузы на экстрактивность пивного сусла, с использованием воды, обработанной катионитом.

При выборе оптимальных условий для проведения процесса затирания следует уделять особое внимание продолжительности пауз. От того сколько по времени длится та или иная пауза зависит, какие продукты будут преобладать в сусле и какими свойствами будет обладать конечный продукт. Регулируя продолжительность затирания можно добиться оптимального соотношения сбраживамых сахаров и несбраживаемых декстринов.

Наиболее важным составляющим затора является мальтоза. Данный дисахарид образуется под действием в?амилазы в интервале температур от 60 до 65°. Именно поэтому данный температурный интервал при затирании носит название «мальтозной паузы». На практике для получения сусла с высокой степенью сбраживания следует увеличивать выдержку затора при температуре мальтозной паузы. Однако следует помнить, что с течением времени скорость ферментной реакции снижается и падает практически до нуля.

При проведении эксперимента №3 главной задачей было добиться получение сусла с наибольшим выходом экстракта и с наибольшим содержанием в этом сусле редуцирующих веществ.

На рисунке 4 приведен график зависимости значений экстрактивности пивного сусла от продолжительности мальтозной паузы.



Рис.4 ? График зависимости экстрактивности сусла от продолжительности мальтозной паузы

Из результатов данного эксперимента следует, что с увеличением продолжительности мальтозной увеличивается экстрактивность сусла и содержание в нем редуцирующих веществ. Данная тенденция наблюдается до продолжительности паузы 15 минут, затем экстрактивность сусла с увеличением длительности паузы повышается незначительно, а содержание редуцирующих сахаров снижается. Это можно объяснить тем, что с течением времени действие в?амилазы ослабляется и в реакцию вступает б?амилаза, чей оптимум лежит в более высоком интервале температур. Продуктом реакции с участием б?амилазы являются высокомолекулярные декстрины и амилоза, которые не относятся к редуцирующим.

Как показано на рисунке 4, оптимальным временем продолжительности мальтозной паузы является 15 минут. Именно такое время применяется на действующем производстве.

Из всего вышеперечисленного следует, что при выборе способа подготовки воды для пивоваренного производства следует отдать предпочтение катионному способу умягчения воды. Кроме высоких технологических параметров данный способ является наиболее экономически выгодным.

С точки зрения технологических условий процесс затирания следует вести с перемешиванием лишь на начальных стадиях, в ходе белковой и мальтозной стадиях, при этом мальтозную паузу следует вести не более 15 минут.

При указанном режиме затирания и водоподготовки, наблюдается наибольший выход экстракта и наибольшее содержание редуцирующих сахаров.

ВЫВОДЫ

1. Исследовано влияние способа обработки воды на качество сусла.

Показано, что оптимальным способом водоподготовки является обработка воды недорогим и доступным катионитом КУ-1.

2. Установлено, что одним из ключевых факторов, влияющих на качество пивного сусла, является жесткость воды.

3. Показано, что продолжительность мальтозной паузы во многом определяет качество пивного сусла, и ее оптимальная длительность составляет 15 минут.

4. При исследовании влияния перемешивания на качество сусла наилучшие результаты получены при использовании применяемой на предприятии технологии, т.е. при перемешивании на белковой и мальтозной паузе.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Федоренко Б.Н. Пивоваренная инженерия: технологическое оборудование отрасли. СПб.: Профессия, 2009. - 1000 с.

2. Ермолаева Г. А., Колчева Р.А. Технология и оборудование производства пива и безалкогольных напитков: учебник для начального профессионального образования. М.: Академия, 2000. 416 с.

3. Тихомиров В. Г. Технология пивоваренного и безалкогольного производства. М.: Колос, 1999. 448 с.

4. Осина Г. И. Состояние рынка пива и безалкогольной продукции / Г. И. Осина // Экономика и экологический менеджмент. 2011. № 1. С. 198-201.

5. Кунце В. Технология солода и пива / В. Кунце, Г. Мит. - СПб.: Профессия, 2001. - 257 c.

6. Меледина Т. В. Сырье и вспомогательные материалы в пивоварении / Т. В. Меледина. - СПб. : Профессия, 2003 - 304 с.

7. ГОСТ 29294-92. Солод Пивоваренный ячменный. Технические условия. Введ. 1993-06-01. М.: Изд-во стандартов, 1993. 19 с.

8. СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества (взамен СанПиН 2.1.4.559-96).

9. Главачек Ф. Пивоварение/ Ф. Главачек, А. Лхотский; перевод с чешского. - М.: Пищевая промышленность, 1977. - 623 с.

10. Нарцисс Людвиг. Краткий курс пивоварения / Л. Нарцисс; при участии В. Бака; пер. с нем. А.А. Куреленкова. - СПб.: Профессия, 2007. - 640 с.

11. Смирнова Л. Домашнее пиво и квас/ авт-сост. Любовь Смирнова. ? Минск: Харвест, 2007. ? 288 с.

12. Дворский Ярослав, Лензе Карл. Катехизис пивоваренной практики - М: Пивоваренная секция ВАИ, 1928 - 278 с.

13. Brugger M., Liane S. F., Paskert P. Neue Perspektiven fьr Wasserwerke durch GroЯfilter aus Edelstahl // bbr : Leitungsbau, Brunnenbau, Geothermie. - 2014. - 65, № 6. - С. 52-57. - Нем.

14. Kupetz M., Weber M., Zarnikow M., Becker T. Den Blockern auf der Spur // Brauindustrie. - 2014. - 99, № 10. - С. 18-21. - Нем.

15. Алябьев Б. А. Зависимость экстрактивности и содержания редуцирующих веществ сусла от параметров затирания и состава засыпи / Б. А. Алябьев, М. Ф. Ростовская, Ю. В. Приходько // Пиво и напитки. - 2016. - № 1. - С. 40-43 . - ISSN 2072-9650

16. Von der Analytik zur verfahrenstechnischen Lцsung / Schmidt Th., Eggers G., Sabo D., Lichtblau D. // Getrдnkeindustrie. - 2013. - 67, № 1. - С. 29-31. - Нем.

17. Jentsch M. Konstante Beschaffenheit : Brauwasser -- das unterschдtzte Element // Brauindustrie. - 2012. - 97, № 12. - С. 34-37. - Нем.

18. Федоренко В. И. Исправление воды методом обратного осмоса // Ликероводоч. пр-во и виноделие. - 2010. - № 11. - С. 8-10. - Рус.

19. Eisenhofer A. Konstante Qualitдt // Brauindustrie. - 2013. - 98, № 12. - С. 26-29. - Нем.

20. Даудова Т. Н., Ахмедов М. Э., Демирова А. Ф., Даудова Л. А. Новый способ водоподготовки для производства алкогольных напитков // Пиво и напитки. - 2014. - № 4. - С. 12-13. - Рус.; рез. англ.

21. Brungard Martin Calcium and magnesium in brewing water // Zymurgy. - 2015. - 38, № 2. - С. 31-37. - Англ.

22. Просин М. В. Разработка и исследование роторно-пульсационного экстрактора для интенсификации процесса затирания при производстве пива : Автореф. дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. Кемер. технол. ин-т пищ. пром-сти, Кемерово, 2014. - 16 с. : ил. - Рус.

Размещено на Allbest.ru