CC BY
19
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕИННОВАЦИИ в ОТРАСЛИи^_
УдК: 663.433.1 (045)
изучение влияния акустических колебаний на качество пивоваренного ячменного солода
Д. В. Карпенко, канд. техн. наук, доцент; М. А. Беркетова
Московский государственный университет пищевых производств
Ключевые слова: акустическая обработка; звук слышимого диапазона; экстрактивность светлого ячменного солода. Keywords: acoustic treatment; the sound of the audible range; extract of light barley malt.
В настоящее время предлагается применять разнообразные волновые / полевые воздействия с целью улучшения характеристик биообъектов или результатов процессов, базирующихся на их использовании. Среди таких воздействий следует упомянуть обработку микроэлектротоком [1], ультрафиолетовым [2], инфракрасным [3], лазерным или рентгеновским излучением [4], электромагнитными колебаниями [5], микроволновой энергией, фотоактивацией [6], ультразвуком [7] и, наконец, звуком.
Каждый из вышеперечисленных способов обработки имеет свои преимущества и недостатки, но, по нашему мнению, применение воздействия звуковых колебаний слышимого диапазона в бродильных производствах, в частности в пивоварении, весьма перспективно в том случае, если оно дает необходимый технологический эффект. Проведение такой обработки не требует значительных затрат ни на приобретение необходимого оборудования, ни на реорганизацию проводимого на предприятии технологического процесса. Кроме того, звук слышимого диапазона более безопасен и для сотрудников, и для оборудования, чем, например, лазерные, ультрафиолетовые, рентгеновские излучения и ультразвук.
Влияние слышимых звуков на функционирование биологических объектов известно давно, но в большинстве случаев использовали те или иные музыкальные композиции. При этом отмечается, что может быть достигнут как положительный, так и отрицательный эффект в зависимости от характера музыки [8].
С нашей точки зрения, при применении музыкальных композиций затрудни-
тельно выявить общую закономерность между используемыми частотами и изменениями свойств обрабатываемого объекта, и единственной возможностью является перебор огромного количества существующих музыкальных произведений.
В силу этого решено было проводить обработку биообъектов, применяемых в пивоваренном производстве, с помощью определенной частоты из слышимого диапазона, который генерируется акустической колонкой, присоединенной к персональному компьютеру, используя для этого программу «Generator».
В пользу решения проводить обработку звуком определенной частоты свидетельствовала и информация об эффективности такого подхода при решении задачи активации процессов солодоращения и, как следствие, улучшения характеристик пивоваренного ячменного солода [9]. В цитируемой работе приведена информация о возможности повысить таким образом способность прорастания ячменя, протеолитиче-скую, амилолитическую активности и степень растворения эндосперма. Наилучшие результаты получены при использовании частот в области 200 и 5000-10000 Гц.
На первом этапе наших исследований было решено изучить влияние частоты звука, которым обрабатывали готовый пивоваренный ячменный солод, на экстрактивность и активность амилаз зерна. Для этого провели серию экспериментов.
Обработку ячменного солода проводили в звукоизолированной ячейке в течение 60 мин при комнатной температуре. Мы не располагали информацией о параметрах и результатах обработки
готового ячменного солода звуком слышимого диапазона, поэтому в первой серии экспериментов было решено проводить достаточно длительную обработку, предполагая установить наличие или отсутствие ее положительного (или отрицательного) влияния на солод, а впоследствии определить оптимальную продолжительность в рамках отдельного эксперимента.
Звук определенной частоты генерировали с помощью колонки мощностью 3 Вт при амплитуде 100% и синусоид-ной форме сигнала. Навеска обрабатываемого солода составляла 5 г, расстояние от источника звука до обрабатываемого солода — 3 см.
В виду того что звук генерировался в колонке за счет электромагнитных колебаний, объект, обрабатываемый звуком, подвергался также и воздействию этих электромагнитных колебаний (ЭМК). Для того чтобы оценить вклад последних в возможные изменения контролируемых характеристик обрабатываемого ячменного солода, было решено поставить вариант сравнения, представляющий собой аналогичную навеску зерна, которую располагали на том же расстоянии, что и в опытном варианте, около колонки, не генерировавшей звуковые колебания. Таким образом, солод подвергался воздействию тех же электромагнитных колебаний, что и зерно в опытном варианте при обработке его звуком определенной длины волны.
Контрольным вариантом служила навеска солода из той же партии зерна, которую выдерживали в течение 1 ч при комнатной температуре в соседнем помещении, так чтобы она не подвергалась воздействию звука или электромагнитных колебаний.
По окончании обработки солод каждого варианта дробили и определяли его экстрактивность (по методу Павловского) и амилолитическую активность. В нашей работе было решено использовать метод определения ами-лолитической активности микробных ферментных препаратов ввиду его относительно низкой трудоемкости. При этом в соответствии с данной методикой расчет АС проводили по эмпирической формуле, вид которой зависит от типа ферментного препарата (бактериальный или грибной). Кроме того, количество гидролизованного крахмала для подстановки в соответствующую формулу должно укладываться в довольно узкий диапазон (в наших экспериментах количество гидролизованного крахмала не всегда укладывалось в этот диапазон).
14 ПИВО и НАПИТКИ 5 • 2012
'ГЕХНОЛОГИЧЕСКИЕИННОВАЦИИ в ОТРАСЛИ
Частота волны, Гц Экстрактивность на воздушно-сухое вещество, % Экстрактивность на сухое вещество, % Количество гидролизованного крахмала, мг
Звук + ЭМК ЭМК Без обработки Звук+ ЭМК ЭМК Без обработки Звук + ЭМК ЭМК Без обработки
20 79,18 76,11 77,81 83,70 80,45 82,32 97 96 91
1088 78,17 78,17 77,13 82,63 82,63 81,53 96 95 97
2003 75,99 70,50 77,79 80,33 74,50 82,28 97 95 95
3070 80,88 75,41 73,58 85,50 79,71 77,78 98 97 99
3985 80,31 76,89 79,04 84,90 81,28 83,55 97 97 97
5053 80,51 78,19 77,83 85,10 82,65 82,28 95 97 96
5968 77,72 71,71 75,88 82,15 75,80 80,21 95 92 93
7036 78,95 71,62 75,51 83,45 75,71 79,82 89 93 93
7951 79,87 74,56 76,54 84,42 78,82 80,91 96 94 94
9019 78,61 79,09 78,17 83,10 83,60 82,63 93 92 95
10 086 78,07 78,17 77,31 82,53 82,63 81,72 96 96 93
11 001 78,70 78,61 76,47 83,20 83,10 80,83 96 97 95
12 069 73,37 75,41 72,43 77,56 79,71 76,57 97 94 97
12 984 76,42 77,08 72,99 80,78 81,48 77,16 97 97 94
14 052 77,60 79,46 80,31 82,03 84,00 84,90 97 95 97
14 967 79,94 81,52 80,58 84,50 86,18 85,18 97 97 94
16 035 77,88 80,58 78,9 82,32 85,18 83,40 96 94 94
16 950 78,07 80,22 78,99 82,53 84,79 83,50 96 97 94
18 017 78,90 78,24 77,03 83,40 82,70 81,43 95 95 94
19 085 78,42 76,75 77,03 82,90 81,13 81,43 92 94 93
20 000 77,03 79,46 78,52 81,43 84,00 83,00 94 92 97
В силу этого было решено оценивать активность амилолитических ферментов солода только по количеству гидро-лизованного крахмала. При этом мы исходили из предположения, что увеличение или снижение количества ги-дролизованнного крахмала пропорционально повышению или уменьшению активности амилаз обработанного в том или ином варианте ячменного солода.
Использованная нами программа позволяла генерировать звук только дискретных частот, из которых выбирали наиболее близкие к тысячам. В условиях, описанных выше, были проведены эксперименты, в которых обработку проводили при частотах от 20 до 20 тыс. Гц включительно. Точные значения использованных частот звука и полученные результаты приведены в сводной таблице.
Анализ данных таблицы позволил сделать ряд выводов: • наибольшее увеличение экстрак-тивности светлого пивоваренного ячменного солода было достигнуто после обработки акустическими колебаниями частотой 3070 Гц — по сравнению с контролем оно составило 9,9% на воздушно-сухое вещество в условиях эксперимента; по нашему мнению, такое увеличение достаточно значимо с технологической точки зрения, что сделало целесообразным дальнейшее изучение влияния звуковой обработки ячменного солода и отработку параметров такого воз-
действия. От эксперимента к эксперименту наблюдали колебания значений экстрактивности, полученных для контрольного варианта, — минимальное и максимальное отклонение от среднего значения для всего массива данных составило -6,1 и +4,46% на воздушно-сухое вещество соответственно. Таким образом, максимальное повышение экстрактивности в опытном варианте с обработкой звуком выходит за границы этого диапазона и, следовательно, не может быть признано обусловленным погрешностью определения;
• наибольшее увеличение экстрактив-ности солода при обработке только ЭМК (без озвучивания) составило 5,6% по сравнению с контролем и наблюдалось в условиях эксперимента при частоте 12 984 Гц; однако и в этих условиях эффективность обработки солода только ЭМК уступала таковой при совместном воздействии звуковых и электромагнитных колебаний;
• обработка как звуком, так и ЭМК в зависимости от частоты (длины волны) может приводить как к повышению, так и к понижению экстрактивности светлого солода, что позволяет предположить сложный характер таких типов воздействия на сложные биологические объекты;
• результаты обработки солода звуком и ЭМК при одних частотах совпадают по направлению воздействия (снижают или повышают экстрактивность),
а при других являются диаметрально противоположными; это позволяет предположить, что такие типы воздействия оказывают различное влияние на структуру солода и / или его компоненты; • не наблюдается корреляции между изменением экстрактивности солода и активностью его амилолитических ферментов (оцениваемой по количеству гидролизованного крахмала) в результате того или другого типа воздействия; более того, оба типа воздействия незначительно влияют на изменение активности амилаз (такие изменения близки к диапазону погрешности измерения). Это позволяет предположить, что исследуемые типы обработки влияют прежде всего на макроструктуру эндосперма, и в меньшей степени (или вообще не влияют) — на компоненты зерна, имеющие микроразмер. Вывод, приведенный первым, представлялся нам наиболее важным. Для того чтобы подтвердить наши предположения, были проведены следующие эксперименты, дополнительная цель которых — установление более точного значения частоты звука, обеспечивающей наибольшее повышение экстрак-тивности светлого ячменного солода.
Условия проведения этих экспериментов полностью соответствовали тем, которые применяли при проведении предыдущей серии, за исключением того, что было решено отказаться от
5^ 2012 ПИВО и НАПИТКИ 15
Рис. 1. Зависимость экстрактивности солода от частоты звуковых колебаний (2600-4000 Гц)
2900 3000 3100
Частота, Гц — Звук + ЭМК — ЭМК — Контроль
Рис. 2. Зависимость экстрактивности солода от частоты звуковых колебаний (2900-3100 Гц)
определения количества гидролизован-ного крахмала. Результаты второй серии экспериментов (с меньшим «шагом» частот звуковых колебаний, использованных для обработки солода) приведены на рис. 1. После обработки звуковыми и электромагнитными колебаниями при частотах 2613; 2765; 3070; 3223 Гц определение экстрактивности всех образцов проводили параллельно, в один день, поэтому все эти опытные варианты имели один контроль. На другой день звуком и ЭМК обрабатывали образцы солода при частотах 3375; 3528; 3833 и 3985 Гц, после чего их экстрактивность также определяли параллельно, с единственным контрольным вариантом.
Из рис. 1 видно, что в условиях эксперимента наибольшее повышение экстрактивности светлого ячменного пивоваренного солода обеспечивает обработка звуком при частоте около 3000 Гц.
Не менее важен тот факт, что в данной серии максимальный прирост экс-
трактивности солода при обработке звуком составил 8,9%, а при обработке только ЭМК — 6,1% по сравнению с контролем, что может служить подтверждением достоверности результатов, полученных ранее. Тем не менее решено было удостовериться в справедливости утверждения о том, что обработка звуковыми колебаниями именно при 3070 Гц оптимальна с точки зрения повышения экстрактивности ячменного солода.
Для этого в условиях, аналогичных предыдущим, были проведены эксперименты, в которых обработку образцов солода проводили при частотах 2918; 3070 и 3223 Гц. Как и в предыдущем случае, после обработки, проведенной при разных частотах, экстрактивность всех вариантов определяли параллельно, ввиду чего использовали только один контрольный вариант. Полученные результаты приведены на рис. 2.
И в данном эксперименте наибольшее повышение экстрактивности в
результате воздействия звуковыми колебаниями было достигнуто при 3070 Гц или очень близкой частоте из диапазона около ±100 Гц. Дальнейшее сужение диапазона исследуемых частот было признано нецелесообразным. В данной серии максимальное повышение экстрактивности солода при 3070 Гц и обработке звуком составило 8,8%, а при обработке только ЭМК — 5,2% по сравнению с контрольным вариантом.
Данные трех серий экспериментов, описанных выше, свидетельствуют о хорошей воспроизводимости результатов. Это позволило сделать достоверный вывод о том, что обработка светлого пивоваренного солода звуком с диапазоном частот слышимого диапазона позволяет улучшить такую технологически важную характеристику, как экстрактив-ность, при этом наилучшие результаты обеспечивает частота, равная 3070 Гц. На следующем этапе работ представлялось целесообразным определить оптимальные параметры такой обработки ячменного солода. О полученных результатах будет сообщено.
ЛИТЕРАТУРА
1. Влияние частоты переменного тока на соло-доращение ячменя/Е. П. Зарубина [и др.] // Пиво и напитки. — 2003. — №4. — С. 50-51. 2 Микробиология пищевых производств/ Н. Г. Ильяшенко [и др.]. — М.: КолосС, 2008. — 415 с.
3. Гунькин, В.А. Оптимизация режимов ИК-обработки зерна ржи по комплексу биохимических показателей: дис. ... канд. биол. наук/В. А. Гунькин. — М., 1992. — 174 с.
4. Патент 2147034 Россия С 12 N 1/16; № 98121097/13. Заявл. 23.11.1998. Опубл. 27.03.2000. Г. П. Шувалев, Е. Л. Гарманова, О. Ю. Мальцева. Способ активации дрожжей.
5. Патент RU 2287014 (13) С2, 2006, МПК С^ 13/00, G01N 22/00, G01N 33/48, С^ 1/00. С. А. Вызулин, В. И. Вызулина. Способ изменения биологической активности микроорганизмов.
6. Шахов, А.А. Фотоэнергетика растений и урожай/А. А. Шахов. — М.: Наука, 1993.
7. Бодрова, О. Ю. УЗ-обработка засевных дрожжей в технологии спирта/О. Ю. Бодрова, А. Н. Кречетникова // Производство спирта и ликероводочных изделий. — 2007. — № 3. — С. 26-29.
8. Шноль, С. Э. Музыка, молекулы, биология. Знание — сила/С. Э. Шноль, А. А. Замятнин, А. Сервазян. — М., 1988.
9. Звуковая обработка ячменя на разных стадиях солодоращения/С.Ф. Данько [и др.] // Пиво и напитки. — 2000. — № 5. — С. 50-51. &
16 ПИВО и НАПИТКИ 5 • 2012
