CC BY
101
Факторы, влияющие на фильтрацию кваса
О.В. Андреева, Е.Г. Шувалова
МИЦ «Пиво и напитки XXI век»
Фильтрация — это процесс удаления из продукта (в данном случае — из кваса) взвешенных частиц. Взвешенные частицы, которые присутствуют в квасе перед фильтрацией, это микроорганизмы и му-теобразующие частицы.
В зависимости от принятой на предприятии технологии производства в квасе могут присутствовать хлебопекарные дрожжи, квасные дрожжи, пивоваренные дрожжи, молочнокислые бактерии, инфицирующие микроорганизмы.
Клетки различных дрожжей по размерам близки друг к другу. Пивоваренные дрожжи имеют размер клеток 5-10 мкм [1], квасные дрожжи — длину 6,3-7,5 мкм, ширину 5-7 мкм, хлебопекарные — длину 6-14 мкм, ширину 3,6-8 мкм [2].
Размеры клеток молочнокислых бактерий значительно меньше: длина их колеблется от 1,1 до 2,1 мкм, а ширина составляет 0,5-0,6 мкм [3].
Кроме микроорганизмов в квасе присутствуют взвешенные частицы немикробиологического происхождения из концентрата квасного сусла (ККС). Количество этих частиц и их размер зависят от ассортимента используемого для производства ККС сырья, технологических режимов производства концентрата и применяемого оборудования.
В концентрате квасного сусла могут присутствовать довольно крупные единичные частицы хлебных припасов, а также мутеобразующие коллоидные частицы значительно меньшего размера — менее 1 мкм. При этом количество взвешенных частиц и их размер могут значительно колебаться в различных партиях ККС.
На процесс фильтрации могут оказывать влияние присутствующие в концентрате квасного сусла углеводы (декстрины, пентозаны, гумми-вещества), имеющие высокую молекулярную массу.
Высокомолекулярные вещества, в том числе гумми-вещества ржи и ржаного солода, могут оказывать влияние на фильт-руемость кваса двумя путями: если они присутствуют в квасе в виде геля или нерастворимых частиц, то может наблюдаться снижение производительности (фильтрующей способности) фильтрующего слоя из-за блокировки пор; если они
присутствуют в квасе в растворенной форме, то фильтруемость кваса может ухудшаться из-за повышенной вязкости напитка.
На тип и количество присутствующих в поступающем на фильтрацию квасе взвешенных частиц оказывают влияние качество концентрата квасного сусла; принятая технология производства кваса (с использованием хлебопекарных дрожжей или смешанной культуры); степень осаждения клеток дрожжей в конце брожения; наличие бактерий во взвешенном состоянии; применение предварительного осветления или сепарирования кваса.
Все эти факторы определяют суммарную нагрузку на фильтр.
Для того чтобы квасы брожения, разлитые в бутылки или другую тару, сохраняли свои органолептические показатели в течение требуемого периода времени, к процессу фильтрации предъявляются определенные требования. Их можно сформулировать следующим образом: обеспечение требуемой производительности фильтра; высокое качество фильтрации за счет возможно более полного удаления микроорганизмов и взвешенных частиц немикробиологического происхождения; оптимальный расход вспомогательных материалов.
Все эти требования взаимосвязаны, так как прозрачность кваса обусловлена присутствием в нем взвешенных частиц различного происхождения, а фильтруе-мость напитка и расход вспомогательных материалов зависят от количества присутствующих в продукте частиц и их характера.
Как можно более полное удаление микроорганизмов из кваса снизит микробиологическую нагрузку на последующий процесс пастеризации, так как при высокой микробиологической нагрузке нельзя полностью исключить присутствие в пастеризованном квасе жизнеспособных клеток, что в конечном счете приведет к изменению физико-химических и микробиологических показателей напитка и снижению его срока годности.
Присутствие в отфильтрованном квасе взвешенных частиц немикробиологи-
ческого происхождения, как и большого количества высокомолекулярных коллоидов, может снижать эффективность процесса пастеризации в результате загрязнения поверхности пластин пастеризатора, вследствие чего ухудшается процесс теплопередачи и снижается уровень температурного воздействия на клетки микроорганизмов.
Для достижения высоких экономических показателей процесс фильтрации должен обеспечивать требуемую производительность фильтра при оптимальном расходе вспомогательных материалов и при минимальных потерях напитка.
Снижение нагрузки на фильтр может быть достигнуто уменьшением содержания в квасе дрожжевых клеток и взвешенных коллоидных частиц путем добавления флокулянтов (осветлителей), центрифугированием.
По некоторым данным, современный сепаратор может удалить из напитка тонкие частицы размером между 1 и 5 мкм с эффективностью от 30 до 99 % [1]. Поэтому только одно сепарирование, особенно при высокой микробиологической нагрузке, не может обеспечить длительного срока хранения (годности)напитка, но, несомненно, позволяет снизить нагрузку на фильтр и тем самым увеличить продолжительность рабочего цикла.
Существуют различные системы для фильтрации напитков: через картон, через слой вспомогательного материала (фильтрационных порошков) — в намывных фильтрах, на мембранных фильтрах.
Схема фильтрации может быть одностадийной (при использовании намывной фильтрации) или многостадийной (сначала намывной фильтр, затем пластинчатый или мембранный).
Для фильтрации кваса чаще всего применяют намывные фильтры.
Принцип намывной фильтрации состоит в том, что процесс осуществляется через слой вспомогательного вещества, намываемого на перегородки. В зависимости от конструкции фильтра перегородки могут быть из опорного картона (рамные фильтры), сетки (сетчатые фильтры), свечей (сетчатые фильтры).
Существует три типа фильтрационных материалов, которые используют при намывной фильтрации: кизельгур, перлит, целлюлоза.
Кизельгур — самый распространенный фильтрационный порошок. Перлит применяют редко, в основном для частичной замены грубого кизельгура. Использование перлита может быть достаточно эффективным, если в напитке присутствуют в основном дрожжи и довольно крупные частицы (размером более 5 мкм), мелкие частицы он отделяет плохо. Кроме того, из-за низкой плотности перлита затраты на его транспортировку выше, чем затраты на кизельгур.
.....""",и.......
'4•2004
№ образцов Массовая доля сухих веществ, % Прозрачность (мутность), ед. ЕВС Вязкость, мПа-с Цвет, ед. ЕВС
1 7,39 Превышает предел измерения прибора 1,39/1,41 60
2 7,50 19,6 1,34 55
3 7,48 31,7 1,36 80
4 7,50 65,6 1,35 200
Кизельгур за счет своей пористости способен задерживать мелкие частицы, но большое количество взвесей может снизить проницаемость фильтрационного слоя кизельгура вплоть до его блокировки. В этом случае может помочь добавление порошка перлита.
Фильтрационную целлюлозу используют исключительно при намывке предварительного фильтрующего слоя. Целлюлоза способствует быстрому созданию предварительного слоя высокого качества даже при большом размере отверстий (щелей) и идеальна при фильтрации на поврежденных фильтрационных элементах (сетках, свечах).
На процесс фильтрации кваса брожения оказывают влияние следующие факторы: содержание в нефильтрованном квасе дрожжевых клеток и бактерий; содержание коллоидных частиц; вязкость кваса; используемые вспомогательные материалы; конструкция фильтра, применяемая система фильтрации; параметры процесса (давление при фильтрации, температура напитка); ошибки оператора.
Первые три фактора обусловлены качеством сырья и тем, насколько оптимально протекали процессы при сбраживании квасного сусла и его осветлении.
Вязкость кваса и содержание в нем взвешенных частиц немикробиологического происхождения обусловлены качеством используемого ККС. Для производства ККС применяют сырье (рожь, ячмень и недостаточно модифицированный ячменный солод), которое содержит большое количество высокомолекулярных полимеров, имеющих высокую вязкость. Если процесс производства ККС недостаточно оптимизирован, то сам концентрат и получаемое из него квасное сусло могут иметь довольно высокую вязкость, что может привести к за-
Таблица 2
Таблица 1
медлению процесса фильтрации (особенно при производстве кваса с высокой плотностью сусла — 7,5-8,0 %).
Различное содержание взвешенных частиц в используемых партиях ККС также будет оказывать влияние на процесс фильтрации и прозрачность кваса.
Взвеси, присутствующие в напитке, в зависимости от их природы могут по-разному блокировать фильтрующий слой. Так, 1 г «слизистых» аморфных веществ может вызвать тот же эффект блокировки, что и 10 г более «жестких» сферических частиц, хотя крупные частицы быстрее блокируют фильтрующий слой [1].
Нами было исследовано влияние качества ККС на процесс фильтрации квасного сусла и кваса брожения. Для проведения исследований были выбраны четыре образца ККС, выпускаемые наиболее крупными российскими производителями.
С использованием этих концентратов по одинаковой рецептуре (35 г/л каждого концентрата и 50 г/л сахара) в лабораторных условиях были приготовлены образцы квасного сусла (табл. 1).
Из данных табл. 1 видно, что полученные образцы квасного сусла имели близкие значения массовой доли сухих веществ, однако цвет и мутность сусла были различными.
Наибольшую мутность имело квасное сусло образца № 1 (ее даже не удалось измерить на приборе), а самую лучшую прозрачность — образец № 2 (19,6 ед. ЕВС).
Значения цвета квасного сусла образцов № 1 и 2 были близки (60 и 55 ед. ЕВС), сусло образца № 3 имело несколько более высокий цвет — 80 ед., а образца № 4 — очень высокий цвет — 200 ед. ЕВС. При этом зависимость между цветом и мутностью квасного сусла не наблюдалась, так как образцы с близкими
значениями цвета (№ 1 и № 2) имели очень разные значения мутности.
Вязкость образцов квасного сусла колебалась в пределах 1,34-1,41 мПах. Наибольшую вязкость имел образец № 1, а наименьшую — образец № 2.
Сравнительную оценку фильтруемос-ти образцов квасного сусла проводили на лабораторном однолистовом кизельгуро-вом фильтре при постоянном давлении (СО2 = 0,5 кгс/см2) с использованием фильтрационного картона фирмы «Шенк». Режим намывки фильтрующих слоев и внесения текущей дозировки во всех циклах фильтрации был одинаков.
Критериями эффективности процесса фильтрации были выбраны фильтруе-мость квасного сусла, которую оценивали по объему потока, проходящего через фильтр за единицу времени, и прозрачность фильтрата. Для оценки изменения фильтруемости фиксировали продолжительность фильтрования каждых 50 см3 квасного сусла.
Циклы фильтрации проводили в двух повторностях. При этом опыты показали, что если при фильтрации квасного сусла образцов № 1, 2 и 3 время фильтрации равных объемов в повторных циклах практически не изменялось, то при втором цикле фильтрации квасного сусла образца № 4 через тот же лист картона длительность фильтрования резко увеличилась (табл. 2).
Значительное снижение скорости фильтрации квасного сусла образца № 4 при проведении повторных циклов позволило предположить, что частицы, присутствующие в квасном сусле, проникают через фильтрующий слой кизельгура в картон и блокируют его, что приводит к значительному замедлению процесса фильтрации при повторной намывке слоя. Визуальный осмотр опорного картона подтвердил это предположение. Результаты определения фильтруемости квасного сусла приведены в табл. 3.
Время фильтрации равных объемов квасного сусла во всех циклах фильтрации было различным. Медленнее всего фильтровалось сусло образца № 4. Быстрее всего проходил процесс фильтрации квасного сусла образца № 3, при этом в начальный момент фильтрации поток
Таблица 3
Объем фильтрата, см3 Время фильтрации квасного сусла образца № 4 в последовательных циклах фильтрации, с
1-й цикл 2-й цикл
50 1,5 2
100 4,5 7
150 9,5 13,5
200 16,5 23
250 25 32
300 36 64
350 65 83
Объем фильтрата, см3 Квасное сусло из образцо в ККС
№ 1 № 2 № 3 № 4
л/мин % л/мин % л/мин % л/мин %
50 2,4 100 3,00 100 3,00 100 1,71 100
100 1,85 77,1 2,4 80,0 3,00 100 1,04 60,8
150 1,64 69,6 2,0 66,7 3,00 100 0,78 45,6
200 1,45 60,4 1,71 57,0 2,40 80,0 0,61 35,7
250 1,30 51,2 1,67 55,7 2,00 66,7 0,53 31,0
300 1,16 48,3 1,50 50,0 1,80 60,0 0,36 21,1
350 1,09 45,4 1,45 48,3 1,79 59,7 0,28 16,4
4•2004 1
ЕШ
ШАШКИ
Таблица 4
Показатель Квасное сусло из образцов ККС
№ 1 № 2 № 3 № 4
Мутность (прозрачность) нефильтрованного Превышает предел 19,6 31,7 65,6
сусла, ед. ЕВС измерения прибора
Содержание взвешенных частиц в квасном сусле перед фильтрацией, г/л (с.в.) 0,80 1,04 3,19 0,82
Мутность (прозрачность) фильтрованного сусла, ед. ЕВС 0,59 1,66 0,56 2,01
Скорость фильтрования (350 см3) пива, л/мин 1,09 1,45 1,79 0,28
Поток, л/(мин-м2) 545 725 895 140
фильтрата (л/мин) был одинаков с суслом образца № 2, но уже после фильтрации 100 см3 он стал более высоким, чем у образца № 2. Медленнее всего фильтровалось сусло образца № 4 как в начале, так и в конце фильтрации.
Содержание взвешенных частиц в образцах квасного сусла и значения мутности сусла до и после фильтрации приведены в табл. 4.
Содержание взвешенных частиц в различных образцах квасного сусла перед фильтрацией колебалось довольно значительно, причем наибольшее количество взвешенных частиц присутствовало в сусле образца № 3 — 3,19 г/л. Содержание взвешенных частиц в образцах № 1 и 4 было практически одинаковым и примерно в 4 раза меньше, чем в образце № 3.
При проведении мембранной фильтрации было установлено, что частицы из образцов № 2, 3 и 4 значительно сильнее забивали поры мембраны, чем частицы из образца № 1.
Наилучшие значения прозрачности были получены при фильтрации образца квасного сусла № 3. Хорошую прозрачность имело также сусло образца № 1, несмотря на то, что нефильтрованное сусло было очень мутным. Фильтрованное сусло образца № 2 имело довольно высокую мутность, хотя перед фильтрацией сусло этого образца было наиболее прозрачным из всех.
В образце квасного сусла № 3 установлено максимальное содержание взвешенных частиц, однако большая часть этих частиц, скорее всего, имела довольно большой размер (более 1 мкм). Это не привело к получению высоких значений мутности сусла, и в то же время эти частицы не блокировали поры и не происходило ухудшение фильтруемости сусла. Содержание мелких коллоидных частиц было выше в сусле образцов № 2 и 4, что отразилось на прозрачности фильтрованного сусла.
Квасное сусло образца № 1 имело несколько более высокую вязкость, чем сусло других образцов, и это, скорее всего, привело к более медленной его фильтрации.
Как видно из представленных данных, количество и характер частиц, присутствующих в концентрате квасного сусла,
могут существенно отличаться, что, несомненно, будет влиять на процесс фильтрации кваса. Причем хорошо или плохо будет фильтроваться квасное сусло, не всегда можно прогнозировать по значению мутности нефильтрованного сусла.
В данной серии опытов образец ККС № 4 имел более низкое качество, чем другие образцы. Однако из этого нельзя сделать вывод, что все партии концентрата, выпускаемого данным производителем, имеют низкое качество.
К сожалению, качество ККС с точки зрения фильтруемости кваса может значительно колебаться даже у одного производителя.
Нами были исследованы две различные партии ККС, выпускаемых одним и тем же производителем. Стандартные показатели качества двух партий были практически одинаковы, однако вязкость, прозрачность и фильтруемость квасного сусла различались (табл. 5 и 6).
Квасное сусло образца № 2 было более прозрачным, чем образца № 1, и имело несколько меньшую вязкость.
Образцы квасного сусла из этих образцов концентратов фильтровались по-разному. При фильтрации квасного сусла из образца № 2 поток сусла, проходящего через фильтр, был значительно выше. При этом скорость фильтрации квасного сусла образца № 2 снижалась плавнее. После сбора 300 см3 фильтра-
Таблица 5
Показатель Квасное сусло
образец № 1 | образец № 2
Прозрачность, ед. ЕВС Вязкость, мПа-с 1,16 0,77 1,39 1,35
та скорость фильтрации квасного сусла образца № 2 по сравнению с начальной снизилась на 40 %, а сусла образца № 1 — на 57,3 %.
Известно, что крайне важным фактором, влияющим на процесс фильтрации, служит содержание в нефильтрованном квасе клеток микроорганизмов — дрожжей и бактерий.
Рассмотрим на нескольких примерах влияние вида используемых микроорганизмов, содержания клеток дрожжей и применяемых вспомогательных материалов на процесс фильтрации.
Результаты модельных опытов по исследованию фильтруемости образцов кваса в зависимости от содержания в нем клеток дрожжей без применения и с применением осветлителя (препарат Айсинг-ласс) приведены в табл. 7. Образцы кваса были получены с использованием одной партии концентрата квасного сусла.
При снижении содержания клеток дрожжей с 7,2 до 4,1 млн/мл процесс фильтрации проходит быстрее, объем потока фильтрата возрастает на 36 %. При добавлении осветлителя объем потока еще больше увеличился, при этом существенно улучшилась прозрачность фильтрованного кваса (на 0,21 ед. ЕВС).
Были также проведены опытные циклы фильтрации образцов кваса, полученного с использованием смешанных культур дрожжей и молочнокислых бактерий без добавления и с добавлением осветлителя (табл. 8).
При применении смешанной культуры использование осветлителя оказывает также большое влияние на увеличение объема потока, как и при использовании пекарских дрожжей, однако прозрачность кваса при этом улучшается незначительно (лишь на 0,04 ед. ЕВС).
Если мы сравним объем потока, проходящего через поверхность фильтра за единицу времени при фильтрации кваса, полученного с использованием дрожжей и смешанной культуры (квасных дрожжей и молочнокислых бактерий), то увидим, что квас, полученный с применением смешанной культуры, фильтруется значительно медленнее (табл. 9).
Как видно из данных табл. 9, использование смешанной культуры дрожжей и
Таблица 6
Объем фильтрата, см3 Поток квасного сусла через фильтр
Образец № 1 Образец № 2
л/мин % л/мин %
50 1,50 100,0 2,00 100,0
100 1,20 80,0 1,50 75,0
150 1,00 67,7 1,50 75,0
200 0,86 57,3 1,33 66,5
250 0,75 50,0 1,25 62,5
300 0,64 42,7 1,20 60,0
350 0,57 38,0 1,05 52,5
Поток, л/(мин-м2) (350 см3) 285 — 525 —
.................
'4•2004
Таблица 7
Объем фильтрата, см3 Скорость фильтрации кваса по вариантам при содержании клеток дрожжей
7,2 млн/мл 4,1 млн/мл 4,3 млн/мл + осветлитель
л/мин % л/мин % л/мин %
100 1,20 100,0 1,50 100 1,50 100,0
150 1,20 100,0 1,20 80,0 1,50 100,0
200 1,00 83,3 1,14 76,0 1,41 94,0
250 0,88 73,3 1,07 71,3 1,25 83,3
300 0,82 68,3 1,05 70,0 1,20 80,0
350 0,75 62,5 1,02 68,0 1,17 78,0
Прозрачность, ед. ЕВС Поток, л/(мин-м2) (350 мл) 0,70 375 0,71 510 0,50 585
Таблица 8
Объем Скорость фильтрации кваса по вариантам при содержании клеток дрожжей
фильтрата, см3 8,0 млн/мл 8,3 млн/мл + осветлитель (Айсингласс)
л/мин % л/мин %
100 150 200 250 300 350 1,0 0,86 0,83 0,75 0,69 0,66 100,0 86,0 83,0 75,0 69,0 66,0 1,09 1,06 1,00 0,88 0,86 0,84 100,0 97,2 91,7 80,7 78,9 77,1
Прозрачность Поток, лДмин-м2) (350 мл) 0,75 330 0,71 420
Таблица 9
Объем фильтрата, см3 Скорость фильтрации кваса по вариантам
Хлебопекарные дрожжи Смешанная культура
л/мин % л/мин %
100 150 200 250 300 350 1,20 1,13 1,0 0,88 0,82 0,75 100,0 94.2 83.3 73,3 68,3 62,2 0,85 0,82 0,71 0,62 0,56 0,54 100,0 96,5 83,5 72,9 65,9 63,5
Прозрачность, ед. ЕВС Поток, лДмин-м2) (350 мл) 0,69 375 0,55 101
Таблица 10
Объем фильтрата, см3 Поток кваса через фильтр
фильтрация через кизельгур фильтрация с добавлением силикагеля
л/мин % л/мин %
50 1,0 100,0 2,00 100,0
100 0,86 86,0 1,50 75,0
150 0,82 82,0 1,50 75,0
200 0,80 80,0 1,33 66,5
250 0,79 79,0 1,25 62,5
300 0,79 79,0 1,20 60,0
350 0,66 66,0 1,17 58,5
Поток, л/(мин-м2) (300 см3) Прозрачность фильтрата, ед. ЕВС 330 2,30 585 1,99
молочнокислых бактерий привело к уменьшению потока кваса в 3,7 раза. Это необходимо учитывать при выборе фильтра и при переходе на применение смешанной культуры.
Аналогичная картина в части ухудшения фильтруемости кваса наблюдается и при его инфицировании бактериями в процессе производства. При кизельгуро-вой фильтрации бактерии полностью уда-
лить невозможно, содержание клеток бактерий обычно снижается примерно в 1000 раз [1].
Был проанализирован производственный образец кваса, вторично инфицированный бактериями (кокки), причем уровень инфицирования был довольно высоким. Квас после фильтрации в производственных условиях имел высокую мутность — 4,73 ед. ЕВС. Производственный
образец кваса был повторно отфильтрован в лабораторных условиях с применением одного кизельгура и с дополнительным внесением силикагеля (табл. 10).
Добавление при фильтрации силикагеля позволило улучшить фильтруе-мость кваса, при этом удалось снизить уровень инфицирования кваса бактериями. Мутность кваса снизилась более чем в 2 раза, но все же не достигла хороших значений. Поэтому следует принять все меры для исключения возможности вторичного инфицирования продукта, так как это не позволит провести качественную фильтрацию напитка и эффективно отделить бактериальные клетки даже при внесении в текущую дозировку силикагеля.
Важную роль в обеспечении высокой эффективности процесса фильтрования кваса играет правильный выбор фильтрационных порошков и их дозировки. Применение слишком тонкого фильтрационного порошка может привести к получению кваса с более высокой прозрачностью, чем требуется, и приводит к излишнему расходу фильтрационных порошков. Текущую дозировку кизельгура необходимо корректировать в зависимости от содержания взвешенных частиц в квасе перед фильтрованием. Хорошая практика при проведении фильтрации кваса (равномерность слоя, отсутствие перепада давления и «дрожжевых ударов» и т. д.), учитывающая особенности используемого фильтрационного оборудования, служит условием хорошего качества фильтрации напитка.
Результаты проведенных исследований позволяют сделать вывод, что на процесс фильтрации кваса большое влияние оказывают качество используемого концентрата квасного сусла, применяемая технология производства и санитарно-микробиологическое состояние производства. Проблем, связанных с качеством используемого концентрата квасного сусла, можно избежать при правильном подборе концентрата квасного сусла. При этом качество ККС при производстве фильтрованного кваса следует оценивать с учетом не только его органолептичес-ких и стандартных физико-химических показателей, но и фильтруемости квасного сусла. В настоящее время специалисты МИЦ разрабатывают рекомендации по оценке фильтруемости концентратов квасного сусла.
ЛИТЕРАТУРА
1. Beer Filtration, Stabilisation and Sterilisation. EBC Manual of Good Practice.
2. Жвирблянская А.Ю., Бакушинская О.А. Микробиология в пищевой промышленности. — М.: Пищевая промышленность, 1966.
3. Жвирблянская А.Ю. Микробиологический контроль производства пива и безалкогольных напитков. — М.: Пищевая промышленность, 1970.
4•2004 1
............
