CC BY
66
УДК 663.126
Интенсификация процесса сбраживания пивного сусла
Б.Д. Мамарасулов
Наманганский
Государственный университет
O.A. Насирова; Д.Т. Мирзарахметова,
д-р техн. наук, доцент Национальный университет Узбекистана им. Мирзо Улугбека
Улучшение качества алкогольных и слабоалкогольный напитков, соответствующих стандарту ISO 22000 — одна из основнык задач современной индустрии напитков и потому перед бродильным производством стоят актуальные научно-технические задачи, решение которых позволит интенсифицировать технологические процессы и улучшить качественные показатели продукции. В этой связи, в совокупность проблем, требующих дальнейшего решения, входят вопросы оптимизации процесса брожения.
Исследованиями было вышвле-но влияние электромагнитого поля (ЭМП) на метаболизм дрожжей и показано его положительное влияние на рост клеточной массы и выход этанола [1-3], при этом биологическими эффектами обладали слабые ЭМП с частотами циклотронными для ионов кальция, магния и других биологически значимык ионов, движущихся в геомагнитном поле. Результаты этих исследований привели к развитию различнык «резонанснык» гипотез, в которык иону кальция отводилась роль главной мишени для ЭМП [3]. Тем не менее, в литературнык источниках иногда встречаются противоречивые данные о действии ЭМП разнык частот и интенсивностей на развитие клеток. Так, например, существуют частоты как стимулирующие размножение клеток, так и ингибирующие. Более того, при обработке дрожжей частотами 0,1-0,7 и 7-400 Гц стимулируется одна система, а при обработке частотами 1-4 Гц — другая. В настоящее время известны многочисленные методы воздействия разнык частот на различные клетки, и они достаточно
эффективны, однако, на сегодняшний день не существует стандартный методик для оптимизации процесса спиртового брожения, которые бы могли обеспечить эффективность действия импульсного электромагнитного поля при сбраживании высокоэкстрактивного пивного сусла.
Целью данной работы стало изучение действия электромагнитных им-пульснык полей на частоте 4 Гц на пролиферацию дрожжевык клеток и образование этанола в бродящей среде, а также выывление возможности интенсификации технологического процесса.
В работе применяли дрожжи Бас-сНаготусеБ сегЫз1ае. Культивирование дрожжей в периодическом процессе проводили при 20 °С в колбах Эрлен-мейера объемом 500 мл, содержащих 200 мл питательной среды [4, 5]. Культивирование дрожжей при двухступенчатом способе сбраживания сусла проводили по методу [6]: в 1-й ступени сусло сбраживали при 20 °С, во 2-й ступени — при 12 °С. Стимуляцию процесса брожения проводили с помощью генератора электромагнитнык импульсов, разработанного ученыгми НУУз [7]. Обработку бродящей среды осуществляли низкочастотными электромагнитныгми волнами (НЧВ) частотой 4 Гц и мощностью 1 мкТл, при этом контролем служила та же питательная среда, в тех же условиях, только без обработки НЧВ (брожение проводили в другой комнате). Подсчет дрожжей в бродящей среде проводили после предварительного разбавления с использованием камеры Горяева [8].
Питательную среду готовили из солода светлого ячменного (85%) и несо-ложенного материала, овсянык хлопьев
24 ПИВО и НАПИТКИ
5•2017
■технология
(15%). Для получения зернового сусла солод и несоложенный материал заливали водой температурой 64.. .68 °С (из расчета 4 л на 1 кг солода) и проводили осахаривание крахмала по следующей схеме: 50 °С (60 мин), 62 °С (30 мин), 72 °С (30 мин), 75 °С (15 мин), уваривали при 100 °С до остаточных сахаристых веществ в сусле 15-35%.
Количественное определение спиртов проводили на капиллярной колонке Elite-Wax (длина 60 м, внутренний диаметр 0,32 мм, наружный диаметр 0,50 мм) на газовом хроматографе Clarus-400 (Perkin-Elmer, США) с пламенно-ионизационным детектором (расход водорода и воздуха 45 и 450 мл соответственно) [9]. Хроматографиче-ское разделение проводили при программировании температуры термостата от 80 до 180 °С, температуре инжектора 200 °С, температуре детектора 250 °С и режиме деления потока 1:65. Ввод пробы объемом 2 мкл осуществлялся автосамплером. Управление прибором и обработку результатов проводили с помощью программного обеспечения ChemStation. Физико-химическая оценка сброженных материалов — в соответствии с действующей нормативной документацией [10-16].
Изучение действия импульсного ЭМП на процесс брожения проводили, поднося снаружи к колбе Эрленмейера (500 мл) генератор ЭМВ, излучающий импульсное ЭМП с частотой 4 Гц. Регулируя выходную мощность генератора, устанавливали магнитную индукцию ЭМП 1,0 мкТл. Выбор частоты в 4 Гц обусловлен тем, что ее легко можно было определять на слух. Эксперименты проводили одновременно в
45 т
е 40-
35-
& 30-
25--
20--
15-
10-
двух колбах (контрольный и опытный образцы) при 12 °С. Брожение в контрольном образце проводили в другой комнате при тех же условиях.
Предстояло провести культивирование дрожжей с регистрацией в реальном времени скорости размножения дрожжевых клеток и интенсивности брожения. Изучение воздействия импульсного электромагнитного поля проводили на приготовленом пивном сусле с исходными концентрациями сахаристых веществ от 15 до 35 %. Мониторинг процесса брожения проводили по изменению содержания сахаристых веществ и количества дрожжевых клеток в пивном сусле.
Под воздействием ЭМП на дрожжи при их культивировании в питательных средах с разным исходным содержанием сахаристых веществ наблюдали прямую зависимость между повышением исходного содержания сахаристых веществ и интенсивностью брожения. В процессе брожения количество дрожжевых клеток возрастало с 16-27 до 24-43 млн/мл, то есть приблизительно в 1,5 раза (рис. 1). Наилучшие результаты были получены в образце, содержащем в качестве питательной среды 25%-ное пивное сусло, при этом количество дрожжевых клеток на 4-е сут брожения достигло 43 млн/мл, а содержание остаточного сахара составило 9-16%.
Интенсивность брожения в опытном и контрольном образцах, содержащих 25%-ное пивное сусло, измеряли по уменьшению сахаристых веществ и увеличению концентрации продуктов реакции — этанола. Изучение влияния ЭМП на процесс брожения проводили
40 -г
35
30
ъ 25
! 20
X
ГО
^ 15
10 -
5 --
1 2 3 4 5 Продолжительность брожения, сут
2 3 4 5 6 Продолжительность брожения, сут
15%-ное пивное сусло — 20%-ное пивное сусло — 25%-ное пивное сусло — 30%-ное пивное сусло 35%-ное пивное сусло
Рис. 1. Влияние импульсного электромагнитного поля на процесс брожения (различия показателей достоверны при р < 0,07)
при обработке бродящей среды импульсным электромагнитным полем (НЧВ).
Показано, что при проведении процесса брожения под действием импульсного электромагнитного поля, содержание остаточных сухих веществ на 5-е сут составило 22 % (рис. 2), в то время как в контроле на 2% больше. Анализ экспериментальных данных показал, что дрожжи лучше растут в среде в условиях обработки НЧВ. Например, на 4-е сут количество дрожжей достигло максимума и составило 51 млн/мл, в то время как в контроле — 43 млн/мл (рис. 3). Полученные результаты показали положительное влияние ЭМП на пролиферацию дрожжей.
Наибольшее содержание этанола (10,5 %об.) отмечено в контрольном образце с использованием в качестве питательной среды 25%-ного сусла. Анализ сброженного под воздействием НЧВ сусла показал увеличение выхода этанола на 15% (рис. 4), содержание которого в опытном образце составило 12,4 %об.
Физико-химическая оценка сброженных материалов (табл. 1) показала значительное увеличение крепости спирта (до 12,4 %об.), увеличение пе-нообразования (до 80 мм) и пеностой-кости (до 4 мин).
Из сброженного сусла были получены дистилляты [10], которые проанализировали на газовом хроматографе [9] на содержание микропримесей, таких как высшие спирты: н-бутиловый, изобутиловый и изоамиловый (табл. 2). Как видно из полученных данных, в сброженном под воздействием НЧВ сусле увеличивается выход этанола и уменьшается соответственно содержание высших спиртов в дистилляте, полученном из данного образца сусла. Так, например, содержание самого сильно пахнущего и токсичного изоамилового спирта в опытном дистилляте уменьшилось до 30,05±1,7 мг/100 мл в спирте сырце (в пересчете на безводный спирт).
На основании результатов проведенных исследований можно сделать выводы, что в перспективе предложенный способ возможно рекомендовать для применения в промышленности для сбраживания высокоэкстрактивного сусла, он позволит значительно улучшить качество, а также физико-химические, биологические и орга-нолептические свойства сброженного материала. Предлагаемая технология может позволить оптимизировать
0
1
7
5•2017
ПИВО и НАПИТКИ 25
ТЕХНОЛОГИЯ
30
28
26
24
22
20
1
1
.....Г
2 3 4 5
Продолжительность брожения, сут
Опытный образец Контрольный образец
60 и
1 50 -
40 -
30 -
20 -
3 10-
2 3 4
Продолжительность брожения, сут
Опытный образец Контрольный образец
0
1
6
1
Рис. 2. Изменение содержания сухих веществ в образцах,
содержащих 25%-ное пивное сусло, под воздействием ЭМП (различия показателей достоверны при р < 0,05)
Рис. 3. Влияние ЭМП на пролиферацию дрожжей
в образцах, содержащих 25%-ное пивное сусло (различия показателей достоверны при р < 0,05)
Таблица 1
14 -1 12 10 8 6 4 2 0
1.......I
Контрольный образец
Опытный образец
Рис. 4. Влияние НЧВ на образование этанола в образцах, содержащих 25%-ное пивное сусло (различия показателей достоверны при р < 0,05)
Массовая Пето- П_ето- Стойкость уШеводы, объемная Кислот- ,,
дол%СО2,(ОбсазОпанны;),стоминсть, ^^v „^««дт цед
не менее мм,неменее" не менее не менее пива % не менее к « Ц 'Д
Образец
I Норма для светлого пива 0,33 30 2 8 5,8 4,8 2,4-3,6 0,4-1,51
Сброженное сусло:
контроль (без обработки ЭМП) 0,4 70 3 8 7,2 10,5 3,2 0,8
опыт (с обработкой ЭМП) 0,4 80 4 8 6 12,4 3,4 0,8
Таблица 2
Образец И Концентрация в сброженном сусле
бутанол, мг/100 мл Бутанол, мг/100 мл Изоамилол, мг/100 мл Метанол, %*10-6
Контроль (без обработки НЧВ) 4,45±0,2 11,42±0,6 33,08±1,7 165,0±8,3
Опыт (с обработкой НЧВ) 4,2±0,2 10,5±0,6 30,05±1,7 130,0±7,1
процесс брожения, корректировать качество летучих компонентов и улучшать дегустационные показатели сброженных материалов и дистиллятов для приготовления спиртных напитков (вина, бренди, виски, ликеро-водочных изделий и т. д.).
Особый состав и комбинация не-соложенных материалов (овсяные хлопья) придают пене более плотную и кремовидную текстуру и придают ореховый, зерновой и земляной привкусы. Используемые дрожжи дают возможность создать полноту букета получаемого продукта и обогатить его вкус фруктовыми, медовыми тонами. Основное брожение проводится в одноступенчатом режиме при понижении температуры и контроле метаболизма дрожжей [6-7].
С помощью электромагнитных импульсов можно ускорить процессы
спиртового брожения на 10 %. Применение генератора не требует изменения конструкции реакторов, его устанавливают снаружи или внутри бродильного чана (необходима изоляция). Технология может быть использована в пищевой промышленности в технологии приготовления светлого сортового пива, а также в производстве спиртных напитков (виноматериалы для бренди, сброженное сусло для виски, ликеро-водочных изделий и т. д.).
Полученные результаты могут найти применение в пищевой промышленности для совершенствования технологии получения дистиллятов, регулирования профиля летучих компонентов и расширения ассортимента спиртных напитков. Технология должна быть доработана для применения в конкретном производстве. Например, при производстве спирта и спиртосо-
держащих напитков доработка должна быть сделана с учетом способа и режима брожения, а при производстве пива — составом соложенных и несо-ложенных материалов и проведением брожения при пониженных температурах и управляемом дображивании при низких температурах в многоступенчатом процессе.
ЛИТЕРАТУРА
1. Perez, V.H. Bioreactor coupled with electromagnetic field generator: Effects of extremely low frequency electromagnetic fields on ethanol production by Saccharomyces cerevisiae /V.H. Perez, A.F. Reyes, O.R. Justo, D. C. Alvarez // Biotech-nol. Prog. — 2007. — Vol. 23. — P. 1091-1094.
2. Motta, M.A. Static Magnetic Fields Enhancement of Saccharomyces cerevisae Ethanolic Fermentation / M.A. Motta, J. B. F. Muniz, A. Schuler, M. Da Motta // Biotechnol. Prog. — 2004. — Vol. 20. — P. 393-396.
26 ПИВО и НАПИТКИ 5•2017
■технология
3. Nakanishi, K. Effect of electric current on growth and alcohol production by yeast cells. / K. Nakanishi, H. Tokuda, T. Soga [et al.] // J. Ferment. Bioeng. — 1998. — Vol. 85. — P. 250-253.
4. Дехканов, Д.Б. Влияние условий культивирования на биосинтез различных форм дрожжевой инвертазы / Д. Б. Дехканов, Д. Т. Мирзарахметова // Вестник НУУз. — 2008. — № 4. — С. 136-138.
5. Щербак, Е.Ю. Влияние условий культивирования дрожжей на биосинтез эстеразы / Е. Ю. Щербак, Д. Т. Мирзарахметова // Вестник НУУз. — 2008. — № 4. — С. 154-155.
6. Абдуллаев, У.К. Совершенствование технологии производства красных вин на биокаталитической основе / У. К. Абдуллаев, С. Х. Абдуразакова // Индустрия напитков. — 2006. — № 6. — С. 30-32.
7. Тонких, А.К. Способ электромагнитной активации дрожжей /А. К. Тонких, Д. Т. Мирзарахметова, Г. Раджабова // Патент РУз. № IAP 20140466, 30.11.2014.
8. Нетрусов, А. И. Практикум по микробиологии / А. И. Нетрусов. — М.: Издательский центр «Академия», 2005. — 608 c.
9. ГОСТ Р 51786-2001. Водка и спирт этиловый из пищевого сырья. Газохроматогра-фический метод определения подлинности. — Введ. — 2002-07-01. — М.: Госстандарт России, 2001. — 12 с.
10. ГОСТ ISO 2448-2013. Продукты переработки фруктов и овощей. Определение содержания этанола. — Введ. 2015-07-01. — М.: Стандартинформ, 2014. — 11 с.
11. ГОСТ 31711-2012. Пиво. Общие технические условия. — Введ. 2013-07-01. — М.: Стандартинформ, 2013. — 11 с.
12. ГОСТ 12788-87. Пиво. Методы определения кислотности. — Введ. 01.01.89. — М.: Стандартинформ, 2011. — 50 с.
13. ГОСТ 12789-87. Пиво. Методы определения цвета. — Введ. 01.01.89. — М.: Стандартинформ, 2011. — 58 с.
14. ГОСТ 30060-93. Пиво. Методы определения органолептических показателей и объема продукции. — Введ. 1996-01-01. — М.: Стандартинформ, 2011. — 68 с.
15. ГОСТ 32038-2012. Пиво. Метод определения двуокиси углерода. — Введ. 2014-01-01. — М.: Стандартинформ, 2014. — 3 с.
16. ГОСТ 12787-81. Пиво. Методы определения спирта, действительного экстракта и расчет сухих веществ в начальном сусле. — Введ. 01.01.83. — М.: Стандартинформ, 2011. — 46 с. &
Интенсификация процесса сбраживания пивного сусла
Ключевые слова
высокоэкстрактивное сусло; дистиллят; дрожжи; импульсное электромагнитное поле; летучие компоненты сброженного сусла; пиво; спиртовое брожение.
Реферат
Общеизвестно, что импульсное электромагнитное поле (ИЭМП) положительно влияет на метаболизм дрожжей, рост клеточной массы и выход этанола, при этом биологическими эффектами обладают низкочастотные электромагнитные волны (НЧВ). Поэтому целью данной работы было изучение действия электромагнитных импульсных полей на размножение дрожжевых клеток и образование этанола в бродящей среде, а также выявление возможности интенсификации технологического процесса. В качестве стимулятора микробиологических процессов использовали генератор электромагнитных импульсов. Сбраживание сусла проводили в двухступенчатом режиме при обработке импульсным электромагнитным полем (частота 4 Гц, мощность 1 мкТл), используя в качестве питательной среды 15-35% пивное сусло (15% несоложенного материала) и верховые дрожжи Saccharomyсes сеге^аае. Показано положительное влияние импульсного электромагнитного поля на пролиферацию дрожжевых клеток и на процесс брожения. Выявлена возможность ускорения процесса спиртового брожения и повышения выхода этанола на 15%. Физико-химическая оценка сброженных материалов показала значительное увеличение пенообразова-ния и пеностойкости. Из сброженного сусла был получен дистиллят и проанализирован на газовом хроматографе на содержание микропримесей, таких как высшие спирты: н-бутиловый, изобутиловый и изоамиловый. Выявлены существенные отличия в содержании отдельных летучих компонентов. Предлагаемая технология может дать возможность оптимизировать процесс брожения, корректировать качество летучих компонентов и улучшать дегустационные показатели сброженных материалов и дистиллятов для приготовления спиртных напитков (пиво, сброженное сусло для виски, виноматериалы для бренди. ликеро-водочных изделий и т.д.). Полученные результаты могут найти применение в пищевой промышленности для совершенствования технологии получения дистиллятов и расширения ассортимента спиртных напитков.
Авторы
Мамарасулов Боходир Долихонович Наманганский Государственный университет, Узбекистан, 160119, г. Наманган, ул. Уйчи, д. 316, [email protected] Насирова Ольга Александровна;
МирзарахметоваДилбар Тохтамуратовна. д-р техн. наук, доцент Национальный университет Узбекистана имени Мирзо Улугбека Узбекистан, г. Ташкент, 100174, ул. Университетская, д. 4, [email protected]
Intensification of the Wort Fermentation Technology
Key words
high extracting wort; distillate; yeast; pulsed electromagnetic field; volatile components of fermented wort; beer; ethanolic fermentation.
Abstract
It is well known that impulse electromagnetic field has a positive impact on yeast metabolism as well as on yield of cell biomass and ethanol where biological action caused by low-frequency electromagnetic waves. Therefore, the aim of this work was to study the action of electromagnetic pulse fields on proliferation of yeast cells and formation of ethanol as well as identifying possible intensification way of technological process. As a stimulator of microbiological processes have been used an electromagnetic pulses generator. Wort fermentation have been carried out in two-grade fermentation mode when processing a pulsed electromagnetic field (the frequency of 4 Hz, powerl microtesla), using as nutrition medium 15-35% beer wort (15% non-malt material) and upper fermenting yeast Saccharomyces cerevisiae. It has been observed a positive effect of pulse electromagnetic field on the proliferation of yeast cells and the fermentation process. It has been revealed that you can speed up the process of alcoholic fermentation and increase the output of ethanol to 15%. Physico-chemical evaluation of fermented materials showed a significant increase in the foaming and though. Distillate has been obtained from fermented mash and subjected to gas chromatograph analysis for trace content, such as higher alcohols: n-butylol, isobutylol and isoamylol. It has been identified significant differences in the content of certain volatile components. The proposed technology would provide an opportunity to optimize the process of fermentation, control a quality of volatile components and improve the taste of fermented materials and distillate for preparing alcoholic beverages (beer, must for whiskey, wine material for brandy, liqueur and vodka products, etc.). The results obtained may find their application in the food industry to improve fermentation technology and expansion beverages assortment.
Authors
Mamarasulov Bohodir Dolikhonovich Namangan State University,
316 Uychi str., Namangan, 160119, Uzbekistan, [email protected]
Nasirova Olga Alexandrovna;
Mirzarahmetova Dilbar Tokhtamuratovna,
Doctor of Technical Science, Associate Professor
National University of Uzbekistan named after Mirzo Ulugbek,
4 University str., Tashkent, 100174, Uzbekistan, [email protected]
5•2017 ПИВО и НАПИТКИ 27
