CC BY
45
Исследование процесса замачивания пивоваренного ячменя
Е.В. Ильина
Московский государственный университет технологий и управления
Для зрелых семян пивоваренного ячменя характерно состояние покоя. Благодаря этому они не прорастают сразу после созревания, а должны пройти так называемый период послеуборочного дозревания в течение нескольких недель или даже месяцев. Семена выходят из состояния покоя либо после соответствующего изменения внешних условий, либо после завершения в их тканях определенных биохимических процессов, в результате которых изменяется физиологическое состояние семян, устраняются причины, тормозящие прорастание зародыша.
Важнейшие условия для прорастания ячменя — достаточная влажность, соответствующая температура и наличие кислорода. Жизнедеятельность зерна активизируется с появлением в нем свободной влаги. Увеличение свободной влаги в зерне можно добиться путем искусственного насыщения его водой.
Вода обеспечивает переход растворимых питательных веществ в раствор и транспортирование их к зародышу, а также создает возможность для проникновения в эндосперм ферментов, которые переводят резервные вещества зерна в растворимые, усвояемые зародышем.
Проницаемость оболочек зерна для различных слоев неодинакова и зависит от концентрации солей в клетке, рН и явлений, свойственных полупроницаемым оболочкам, — осмодиффузии и ультрафильтрации. Клетки малопроницаемы для свободных ионов Н и ОН, анионов органических кислот и щелочей, но легко пропускают недиссоциированные молекулы многих кислот и щелочей. На
проницаемости клеток зерна основано использование активаторов прорастания в процессе замачивания ячменя.
Возбуждающее действие на прорастание семян оказывают вещества, называемые стимуляторами роста. Из биологических стимуляторов роста и развития растений применяют гиббереллин. Он стимулирует выход семян из состояния покоя, активизирует протеолитические ферменты и другие ферментные системы. Обработка зерна гибберелловой кислотой ускоряет прорастание ячменя, сокращает время замачивания на 1 день и продолжительность солодоращения до 5 дней.
Дозы гибберелловой кислоты устанавливают опытным путем, так как замачиваемые ячмени обладают различными свойствами и препараты гиббереллина имеют неодинаковую активность.
Существуют различные способы замачивания ячменя.
Замачивание с продолжительными воздушными паузами. Сокращение времени пребывания зерна под водой благоприятно влияет на развитие зерна. Воздушные паузы составляют 50-80 % общего времени замачивания. Адгезионная вода, находящаяся на поверхности зерна, не только способствует равномерному повышению степени замачивания, но и ведет к уменьшению общей его продолжительности и ускорению прорастания.
Оросительное замачивание с воздушными паузами. Этот способ гарантирует эффективное увлажнение зерна, достаточный подвод кислорода и удаление ингибирующих веществ, выделяемых в
процессе жизнедеятельности зерна. Применение оросительного замачивания с продолжительными воздушными паузами требует использования замочных аппаратов с плоским днищем.
При недостаточном количестве кислорода в воде в начальный период замачивания в зерне обнаруживают слабые признаки брожения, в результате которого выделяются спирты и диоксид углерода, замедляющие развитие зародышевого корешка. Для предотвращения брожения в замочном аппарате применяют орошение водой и продувку кондиционированным воздухом.
Воздушно-оросительное замачивание. Этот способ создает самые оптимальные условия для замачивания зерна, так как уже при влажности 27-30 % зерно начинает прорастать. В дальнейшем с повышением влажности зерна увеличивается число проросших зерен. Воздушно-оросительный способ замачивания при температуре воды 18...20 °С и высоте слоя зерна до 1,5 м позволяет ускорить процесс солодоращения, сократить потери сухих веществ и повысить активность ферментов. Это связано с тем, что зерно более легко поглощает воду после того, как начинает прорастать. Следовательно, процесс замачивания необходимо сочетать с проращиванием зерна в одном аппарате.
Воздушно-оросительное замачивание проводят в основном в солодорастиль-ных аппаратах, снабженных шнековыми или лопастными ворошителями. Зерно увлажняют путем периодического орошения слоя водой, для чего на ворошителе устанавливают распылительные форсунки в два ряда с обеих сторон рамы.
В промышленности применяют и другие способы замачивания: воздушно-водяной в непрерывном токе воды и воздуха, оросительное замачивание и др. Все они уступают описанным выше способам замачивания ячменя, как по экономическим, так и по биохимическим показателям. Наибольшее снижение потерь сухих веществ может быть получено при повторном замачивании ячменя, предварительно обработанного токами высокой частоты. Но при любом способе всегда приходится приспосабливаться и видо-
Таблица 1
Период Длительность, ч Особенности процесса влагопереноса в ячмене Изменение характеристик физико-химических свойств ячменя Изменение структуры анатомических частей ячменя Изменение технологических свойств ячменя
Начальный Основной (период активного разрыхления эндосперма) Заключительный (релаксационный) 0,25-1 5-16 48-72 Захват влаги плодовыми оболочками, гидратация тканей семенной оболочки, алейронового слоя и зародыша Переход влаги из поверхностных слоев внутрь эндосперма Распределение влаги по тканям в равновесном соотношении Удельный объем зерна резко возрастает Удельный объем изменяется по волнообразной кривой Изменения практически прекращаются Развивается набухание тканей поверхностных слоев ячменя Разрушение исходной структуры ячменя микротрещинами Изменение конформации молекул биополимеров ячменя до равновесной Изменения незначительны Изменения существенны Изменения незначительны
ПИ
НАПИТКИ
2•2006
30
изменять режим работы при переработке ячменя нового урожая.
Известно, что стекловидные ячмени замачиваются труднее, чем мучнистые. Однако не только химический состав и структура зерна, но и влажность, а также срок вылежки зерна при хранении оказывают влияние на режим замачивания.
Весь процесс влагопереноса в ячмене при замачивании и протекающие при этом процессы физико-, коллоидно- и биохимической природы развиваются так, что могут быть четко выделены три периода (табл. 1).
Начальный период характеризуется концентрацией поглощенной влаги в поверхностных слоях ячменя: плодовой и семенной оболочках, алейроновом слое и зародыше. Вследствие набухания этих слоев удельный объем ячменя быстро (скачком) увеличивается. Резко неравномерное распределение влаги по сечению ячменя приводит к установлению огромного градиента влагосодержания, что приводит к возникновению напряжений в теле ячменя. Изменения технологических свойств ячменя невелико, поскольку структурные изменения затронули только поверхностные слои. Таким образом, заканчивается подготовка к интенсивному переносу влаги внутрь ячменя. Поэтому первый период можно определить как подготовительный.
Во втором периоде возникающие в теле ячменя напряжения достигают за-критических значений, благодаря чему эндосперм раскалывается микротрещинами на отдельные частицы. Влага быстро перемещается по микротрещинам внутрь эндосперма. Появление в нем большого количества воды вызывает к жизни различные физико-химические процессы, причем их развитие характеризуется высокой интенсивностью. Преобразование всех свойств ячменя существенно и после второго периода практически завершается. В связи с этим второй период считается основным.
Третий, заключительный период характеризуется постепенным распределением влаги по анатомическим частям ячменя в равновесном соотношении в соответствии с их структурными особенностями и термодинамическими характеристиками влагопереноса. Макромолекулы белков и углеводов постепенно принимают равновесную конформацию, в связи с чем напряжения в теле ячменя постепенно ре-лаксируются. Этот период можно назвать также релаксационным.
Протяженность начального периода не превышает 1 ч, основной период продолжается 5-16 ч, а заключительный 32-56 ч. В каждом из них все процессы в ячмене имеют качественные отличия.
Важно подчеркнуть, что все физико-химические процессы в ячмене протекают взаимосвязанно и завершаются
одновременно, причем продолжительность их развития не зависит от режима замачивания при неизменной температуре, а определяется индивидуальными свойствами ячменя.
На экспериментальной установке, описанной в статье [1] (см. рисунок «Схема экспериментальных установок для механической, гидродинамической и совместной обработки заторной массы»), исследования проводили с целью нахождения рациональных режимов работы гидродинамического контура для сокращения процесса замачивания ячменя.
Исследования проводили с различными партиями ячменя, характеристики которых представлены в табл. 2.
Таблица2
Показатели качества ячменя, используемого в исследованиях
№ партии ячменя Влажность, % Крупность, % Способность прорастания, %
Партия № 1 11,76 87 95
Партия № 2 12,0 90 95
Партия № 3 12,80 88 95
Партия № 4 13,75 86 95
Исследовали все партии ячменя в трехкратной повторености при температуре воды для замачивания 10...22 °С.
Методика экспериментальных исследований была следующей.
В стакан наливали воду на У емкости, засыпали 1000 зерен ячменя, предварительно взвешивая их. При различной влажности ячменя (от 11,76 до 13,75 %) масса навески колебалась от 36,18 до 42,3 г. Для размешивания применяли стеклянную палочку. Зерно оставляли в покое на 30 мин. Затем снова размешивали ячмень с водой, снимали сплав и выливали грязную воду. Потом наполняли стакан свежей водой и опускали в него две полихлорвиниловые трубки для циркуляции ячменя с водой из экспериментального стакана через насос-компрессор и обратно в стакан.
Диаметры магистральных трубок были различны — 10, 12, 15 мм. Их подбирали экспериментально, с учетом характеристик насоса.
Объемный расход V был найден экспериментальным путем для трех положений переключателя мощности компрессора МК-Л1М, которые составляли: V = 0,83310® м3/с, что соответствует 85 г ячменя с водой в минуту; V = 1,35-Ю8 м3/с, что соответствует 120 г ячменя с водой в минуту; V = 1,66 108 м3/с, что соответствует 140 г ячменя с водой в минуту.
В водяной ванне поддерживали температуру 10.22 °С с помощью охлажденной в холодильнике воды. Лишнюю воду сливали через канализационный слив, расположенный на задней стенке аппарата.
Время проведения экспериментальных исследований 24-30 ч.
Циркуляцию ячменя с водой осуществляли в течение всего периода замачивания, т.е. до достижения степени замачивания 43-45 %. Степень замачивания определяли расчетным путем по формуле
(Ь - а)100
+ W
100
100 +
(Ь - а)100
где а — масса 1000 зерен ячменя до замочки, г; Ь — масса 1000 зерен ячменя после замочки, г; W— влажность ячменя до замочки, %.
Одновременно в замочном отделении завода с такой же партией ячменя проводили замачивание воздушно-водяным способом. Степень замачивания определяли следующим образом: в тарированный сетчатый стаканчик насыпали 100 г ячменя. Стаканчик плотно закрывали крышкой и на веревке опускали в массу замоченного зерна. По окончании замочки закрытый стаканчик несколько раз сильно встряхивали, чтобы удалить основное количество воды с поверхности зерна и стаканчика, вытирали его снаружи полотенцем и взвешивали.
Степень замочки при навеске 100 г ячменя рассчитывали по формуле
(а + №)100 100 -—а '
где а — привес стаканчика с содержимым после замочки, г; W — влажность ячменя до замочки, %.
Затем сравнивали результаты контрольного замачивания с экспериментальными.
Экспериментальные исследования показали, что гидродинамическое воздействие на ячмень при замачивании положительно влияет на технологические параметры, такие, как влажность и время замачивания. Процесс замачивания проходил более интенсивно. Влажность зерна 43,3 % достигалась за 30 ч, тогда как в контрольном варианте — за 48-50 ч.
Это позволило сделать вывод, что один из путей интенсификации процесса замачивания ячменя заключается в гидродинамическом воздействии на него, поэтому необходимо продолжать научные исследования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Калошин Ю.А., Ильина Е.В. Новые перспективы приготовления пивного сусла//Пиво и напитки. 2005. № 4. С. 12-13.
2. Ильина Е.В. Интенсификация производства пивного сусла. Новое направление//Пиво и напитки. 2005. № 3. С. 22.
3. Егоров Г.А., Мельников Е.М., Журавлев В.Ф. Технология и оборудование мукомольно-крупяно-го и комбикормового производства — М.: Колос, 1979. <£?
2 • 2006
31
