CC BY
29
УДК 663.4:620.191.74
Оценка влияния хитозана на удаление биополимерных компонентов помутнений напитков
И. Ю. Сергеева,
канд. техн. наук, доцент;
A. В. Шафрай,
аспирант;
B. А. Помозова,
д-р техн. наук, профессор Кемеровский технологический институт пищевой промышленности
Ключевые слова:
коллоидные помутнения; пиво; стойкость; хитозан. Keywords:
colloidal opacities, beer; resistance; chitosan.
Реферат
В статье приведена оценка влияния хитозана, внесенного на стадии дображивания, на количественное содержание потенциальных мутеобразующих веществ пива, таких как полифенольные и высокомолекулярные белковые вещества. Проведена математическая обработка экспериментальных данных. Получена математическая модель, позволяющая рассчитать требуемое количество хитозана для получения желаемого количества высокомолекулярной фракции белков и полифенольных веществ, а также определить в модели область допустимых значений для белковых и полифенольных веществ.
Abstracts
The article describes the evaluation of the influence of chitosan on the quantitative content of substances of potential forming turbidity substances of beer such as polyphenols and high-protein substances, introduced at the stage of fermentation of beer. The mathematical processing of the experimental data. A mathematical model that calculates the required amount of chitosan to obtain the desired amount of high molecular proteins and polyphenolic substances, and to identify a model of the range of permissible values for protein and polyphenolic substances.
На сегодняшний момент в нашей стране наблюдается устойчивая тенденция, соответствующая росту производства и потребления напитков. Несмотря на сложные экономические условия, в России в последние годы интенсивно развивается ряд отраслей пищевой промышленности, в том числе производство безалкогольных напитков, а также слабоалкогольных напитков — пива [1].
Один из приоритетов современного направления развития экономики — выпуск товаров, максимально удовлетворяющих потребности покупателей. Высокий уровень конкуренции среди производителей напитков на отечественном рынке определяет необходимость постоянного повышения его качества. При этом в ряду важнейших показателей качества определенное место занимает стойкость.
Понятие стойкости (стабильности) напитков подразумевает способность сохранять прозрачность в течение длительного времени. Сделать напиток стабильным — это не значит удалить из него все соединения, которые потенциально могут стать причиной помутнений различной природы. Главная задача оптимального ведения технологического процесса — сделать напиток стабильным при одновременном сохранении в нем как можно большего количества компонентов, определяющих его биологическую и пищевую ценность, в состоянии, не приводящем к помутнению полуфабрикатов и готовых изделий.
Проблема повышения стойкости полуфабрикатов и готовых напитков достаточно сложна в связи с неоднородным составом природного сырья,
необходимостью одновременно с устранением мутеобразующих компонентов из готовых напитков сохранить их вкусовые и ароматические характеристики. Поэтому актуальны исследования в области повышения стойкости напитков.
В настоящее время на рынке вспомогательных средств, применяемых для повышения коллоидной стойкости напитков, имеется большое многообразие стабилизаторов для сохранения равновесной системы напитков. Хи-тозан — один из перспективных гидроколлоидов в пищевой промышленности. Превалирующее количество исследований направлено на его использование в медицинских целях.
Цель настоящих исследований — изучение возможности применения хитозана в ходе технологического процесса производства пива для обеспечения прогнозируемой стойкости.
Для достижения указанной цели в ходе исследований поставлен ряд задач:
• провести оценку влияния внесения хитозана в ходе технологического процесса на количественное содержание биополимерных компонентов пива, служащих причиной коллоидного помутнения;
• получить регрессионно-статистическую модель, описывающую влияние хитозана на содержание потенциальных мутеобразующих компонентов пива, таких как поли-фенольные вещества и белки высокомолекулярной фракции. Объект исследований — молодое
пиво на стадии дображивания с добавлением различного количества хитоза-на. Образцы молодого пива были приготовлены в промышленных условиях
28 ПИВО и НАПИТКИ 3 • 2013
пСОНТРОЛЬКАЧЕСТВА|
по технологии пива «Жигулевское». Образцы хитозана, используемые в эксперименте, были произведены по ТУ 9289-046-04689375-96 в условиях ЗАО «Биопрогресс». Хитозан вносили в пиво в виде порошка.
В качестве методов исследований физико-химических показателей пива применяли стандартные методы анализа: полифенольные вещества — метод Еруманиса, основанный на реакции этих веществ с лимоннокислым железо-аммонием (III) в щелочной среде; содержание белка высокомолекулярной фракции — фотоколориметрический метод определения танинового показателя [2].
Для математической обработки экспериментальных данных использовали модули «Промышленная статистика» и «Нелинейное оценивание» программы $1а1л81юа 8,0 [3].
Для решения поставленных задач в образцы молодого пива вносили хитозан в количестве 12,5; 25,0; 37,5; 50,0; 62,5; 75,0 мг/дм3. Экспериментальные образцы, а также образец без внесения стабилизатора (контрольный) ставили на дображи-вание в условиях Новокемеровского пивобезалкогольного завода на 21 сут. По окончании процесса дображивания все образцы были проанализированы на содержание компонентов помутнений — полифенольных веществ и белка высокомолекулярной фракции. Результаты физико-химического анализа приведены в табл. 1.
Содержание такого компонента помутнений, как белок фракции А,
без использования стабилизирующего средства находится на достаточно высоком уровне, что не позволит получить в конечном итоге пиво, стойкое к коллоидному помутнению. Процент убыли в этом случае составил около 6% по отношению к исходной величине. При этом диапазон снижения концентрации исследуемого компонента в пиве, полученном с использованием хитозана, находился в пределах от 14 до 25% по отношению к исходной величине в контрольном образце пива. Количественное содержание полифенольных веществ также значительно изменяется. В ходе дображивания контрольных образцов пива самопроизвольное снижение величины фенольной фракции составило 29%. В то время как внесение хитозана позволило дополнительно снизить количество полифенольных веществ еще на 5-18% от контрольного уровня в зависимости от дозировки стабилизатора.
По своей химической структуре хи-тозан — активный катионный реагент. Полифенольные вещества, а в основном это полимеризованные производные оксикоричной и оксибензойной кислот, в растворе имеют отрицательный заряд. Молекула же белковых веществ — это сосредоточение как положительного, так и отрицательного зарядов. Хитозан активно реагирует с фенольными веществами, которые, в свою очередь, за счет ионного взаимодействия притягивают белковые вещества. В этом случае хитозан можно рассматривать в качестве активного
Таблица 1
Содержание полифенольных веществ, мг/дм3 Содержание белка Время контакта Концентрация фракции А, мг/дм3 хитозана с пивом, сут хитозана, мг/дм3
188,0 15,8 0 0
134,0 15,0 21 0
131,0 12,9 21 12,5
117,0 12,0 21 25,0
118,0 11,6 21 37,5
100,0 11,2 21 50,0
110,0 11,5 21 62,5
110,0 11,2 21 75,0
Таблица 2
Фактор Коэффициент регрессии Стандартная ошибка t (1) Р -95, % (лимит) +95, % (лимит)
Свободный член 4417,045 1472,282 3,00013 0,204824 -14 290,1 23 124,16
(1) Pf (L) -23,692 14,505 -1,63333 0,349732 -208,0 160,61
Pf (Q) -0,478 0,198 -2,41485 0,249941 -3,0 2,04
(2) Proteins (L) -459,107 135,994 -3,37594 0,183334 -2187,1 1268,86
Proteins (Q) -37,901 20,574 -1,84213 0,316615 -299,3 223,52
1L by 2L 11,320 4,678 2,42005 0,249457 -48,1 70,76
катализатора процесса осветления пива в ходе стадии дображивания.
Изучали зависимость количества полифенолов и белков высокомолекулярной фракции от количества добавленного в пиво хитозана. Требовалось установить силу зависимости, а также смоделировать уравнения для нахождения количества хитозана, добавляемого в пиво, необходимого для получения желаемой концентрации полифенольных веществ и белков фракции А. В условиях естественного эксперимента именно количество хи-тозана будет независимой переменной и будет влиять на зависимое от нее количество полифенолов и белков. Поэтому целью исследования стала обратная взаимосвязь, т. е. возможность смоделировать требуемое количество хитозана для получения необходимого количества полифенолов и белков.
В качестве зависимого фактора была взята концентрация хитозана (мг/дм3, Cons). В качестве независимого фактора были взяты содержание полифенолов (мг/дм3, Pf) и содержание белка фракции А (мг/100 см3, Proteins). Все измерения были сделаны после 21 дня дображивания с применением хито-зана. Модель, полученная с помощью модуля «Промышленная статистика», имеет лучшие показатели, поэтому далее приведено именно ее описание.
В табл. 2 приведены коэффициенты регрессии модели, а также некоторые ее оценки. Полученный в результате математической обработки экспериментальных данных коэффициент детерминации (R2) данной модели, равный 0,983, очень близок к единице, что свидетельствует о сильной взаимосвязи между зависимой переменной и независимыми переменными. Также из этого следует, что доля дисперсии зависимой переменной, объясняемая рассматриваемой моделью зависимости, равна 98,3%.
Полученная по ходу исследования модель имеет вид:
У = b0 + b1 Х1 + b2 x2 + b12X1 x2 +
+ b11 x2 + b22 4
Подставляя в формулу коэффициенты модели из табл. 2, получаем итоговую модель, позволяющую прогнозировать значения зависимой переменной:
Cons = 4417,045 - 23,692 Pf- 459,107Proteins + 11,32 Pf Proteins -- 0,478 Pf 2 - 37,901 Proteins2.
3 • 2013
ПИВО и НАПИТКИ 29
КОНТРОЛЬКАЧЕСТВА
Таблица 3
Наблюдаемое значение Предсказанное значение Остаток
0,00000 -0,04705 0,04705
12,50000 12,06914 0,43086
25,00000 29,25864 -4,25864
37,50000 36,19518 1,30482
50,00000 50,91946 0,91946
62,50000 55,92092 6,57908
75,00000 78,18370 -3,18370
3,0 q 2,5 г 2,0 г 1,5 г 1,0 г 0,5 г 0 г -0,5 т -1,0 г -1,5
-2,0 т
-2,5 т -3,0
0 2 Остаток
Рис. 1. Нормальный вероятностный график
Используя данную модель, можно сравнить наблюдаемые значения зависимой переменной с предсказанными. Результат сравнения приведен в табл. 3.
Из табл. 3 видно, что остатки от сравнения достаточно малы и модель можно использовать для предсказания значений зависимой переменной. В данном случае остатки — это наблюдаемые значения (концентрация хитозана) минус предсказанные, т. е. полученные с помощью математической модели.
Поскольку полученная модель является нелинейной по переменным, рассматриваемая в ней регрессия является полиноминальной, а значит, линейной по своей природе. Из этого следует, что для нее должно действовать предположение о нормальности распределения остатков. Исходя из него, остатки полученной модели должны быть распределены по нормальному закону. Проверить это предположение можно по рис. 1, где приведен нормальный вероятностный график распределения остатков. Он
95 100 105 110 115 120 125 130 135 140
Концентрация полифенольных веществ Pf, мг/дм3
Эффективная концентрация хитозана Cons, мг/дм3
является общим средством оценки того, насколько хорошо наблюдаемые значения согласуются с теоретическим распределением. На графике наблюдаемые значения остатков отмечаются на горизонтальной оси X; вертикальная ось У отмечает ожидаемые нормальные значения для соответствующих величин после их упорядочения по возрастанию. Если все значения укладываются на прямую, то остатки следуют нормальному распределению. В нашем случае можно утверждать, что полученная модель согласуется с предположением о нормальности распределения остатков.
На рис. 2 приведена контурная поверхность модели, на которой показана различная концентрация хитозана в зависимости от количества белков и полифенолов. Самым темным цветом обозначена положительная концентрация хитозана (другими словами, его наличие), а белые точки отражают экспериментальные данные.
По рис. 2 можно наглядно представить, какое количество хитозана требуется для получения желаемого
■ <-200 ■ <-400 I I <-600 I I <-800 I I <-1000 I I <-1200
I I <-1400 ■ <-1600
Рис. 2. Контурная поверхность
количества белков и полифенолов, а также определить область допустимых значений в модели для белков и полифенолов. Ввиду вышеприведенных рассуждений модель, полученная в ходе исследования, может считаться адекватной и быть использована для дальнейшего тестирования.
Таким образом, проведенные исследования показали возможность использования хитозана в ходе технологического процесса с целью снижения количественного содержания биополимерных компонентов пива, являющих причиной коллоидного помутнения. Результатом проведения математической обработки полученных экспериментальных данных стала модель, позволяющая рассчитать требуемое количество хитозана для получения желаемого количества высокомолекулярной фракции белков и полифе-нольных веществ, а также определить в модели область допустимых значений для белковых и полифенольных веществ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Индустрия напитков. — 2011. — № 5. — http://www.beverage-indastry.ru
2. Покровская, Н. В. Биологическая и коллоидная стойкость пива/Н. В. Покровская, Я. Д. Каданер. — М.: Пищевая промышленность, 1987. — 273 с.
3. Электронный учебник по статистике. — http ://www. statsoft.ru / home / textbook/ default.htm. <S
30 ПИВО и НАПИТКИ
3 • 2013
