CC BY
46
УДК: 663.46
Оценка влияния технологических факторов и способов обработки на стойкость пива
В. А. Помозова, д-р техн. наук, профессор;
И. Ю. Сергеева, канд. техн. наук, доцент; А. В. Шафрай, аспирант Кемеровский технологический институт пищевой промышленности Д. И. Семакин, канд. техн. наук ОАО «Томское пиво», г. Томск
Ключевые слова: способ обработки; статистически значимые уравнения; стойкость пива; технологические факторы.
Keywords: processing method; statistically significant equalizations; beer rigidity; technological factors.
Стойкость пива как один из основных показателей качества в настоящее время приобретает особое значение вследствие высокой конкуренции на рынке пива. Стойкость формируется как в процессе производства, так и при реализации пива. Этот показатель можно считать многофакторным, так как на него влияют качество сырья, параметры производства, условия реализации продукта.
Анализ основных технологических факторов, воздействующих на стойкость пива, позволит моделировать технологические процессы с целью повышения стойкости путем регулирования режимов и использования специальных приемов обработки сусла, молодого и готового пива.
Цель данной работы — выявление тех показателей технологического процесса производства пива, которые оказывают наибольшее влияние на стойкость пива, а также определение степени их воздействия на основе предоставленных статистических данных производственного предприятия ОАО «Томское пиво», где используется широкий спектр технологических факторов для увеличения стойкости продукта.
При проведении анализа было оценено влияние на стойкость пива содержания белка в солоде; времени и температуры холодной выдержки в ЦКТ; температуры фильтрации; нормы внесения стабилизатора; мутности; барботирования в форфасе.
Белок солода выступает как потенциальный мутеобразователь. Соответ-
ственно, чем его больше, тем хуже это сказывается на стойкости пива. Однако продукты распада белков, такие как аминокислоты, являются важными компонентами питания дрожжей. Помимо этого некоторые фракции положительно влияют на пену пива.
На стадии дображивания перед фильтрованием и розливом из пива необходимо удалить нестойкие коллоидные соединения, которые выделяются в виде частиц холодной мути. При недостаточно низкой температуре выдержки существует вероятность неполного выделения и осаждения частиц холодной мути, которая удаляется вместе с осевшими дрожжами. Вследствие этого стойкость пива снижается. Холодная стабилизация пива начинается при достижении температуры -1 °С. В случае, если температура не достигла заданного значения, процесс образования частиц холодной мути не пройдет в полной мере или он будет идти недостаточно интенсивно, что потребует увеличения сроков выдержки, что, например в летний период, крайне нежелательно. После начала охлаждения до достижения температуры -1 °С во всем объеме пива в ЦКТ проходит примерно 2-3 сут. При достижении этой температуры начинается холодная выдержка (стабилизация). При недостаточной продолжительности холодной выдержки также существует вероятность неполного отделения частиц мути, что увеличит нагрузку на фильтровальное оборудование и отрицательно скажется на стойкости пива.
Барботирование в форфасе не обязательно, оно служит для исправления ошибки, допущенной во время фильтрации (высокое содержание в пиве кислорода), либо снижения насыщения углекислотой, которая образовалась на стадии брожения — дображивания в большем количестве, чем требует внутризаводская спецификация.
Во время осветления пива на кизель-гуровом фильтре в буферную емкость нефильтрованного пива в поток дозируется стабилизатор — силикагель «Kigel Clear» или «Kigel Xero» в дозировке 35-40 г/гл. Силикагель — белковый осадитель, внесение которого повышает коллоидную стойкость пива.
Мутность готового пива контролируется во время фильтрации стационарным прибором, установленным в трубопроводе непосредственно после кизельгуровой части фильтра, и в лаборатории — готовое пиво из форфа-са перед розливом. Определяется по изменению рассеянного светового потока под углами 90° и 25°. Измеряется в единицах EBC. Нормой считается мутность под углом 90° — до 0,6 ЕВС, а под углом 25° — до 0,2 ЕВС. Любое превышение данных значений оказывает отрицательное влияние на качество пива и его стойкость и требует внесения изменений в процесс фильтрации (например, изменение соотношения дозируемого кизельгура в пользу самой мелкой его фракции). Также следует отметить, что лабораторное значение мутности немного отличается из-за конструктивных особенностей приборов измерения (измерение в потоке во время фильтрации либо в специальной кювете в лаборатории). Помимо этого пиво, проходя через стерильный фильтр-картон, приобретает дополнительную прозрачность.
Охлажденное пиво из отделения ЦКТ подается на фильтрацию, где перед дозировкой силикагеля охлаждается до
температуры фильтрации — 1___—1,5 °С,
чтобы выделившиеся из пива частицы холодной мути снова не растворились и не перешли в готовое пиво. В случае недостаточного охлаждения пива в ЦКТ или недостаточного времени холодной выдержки охлаждение проводят до температуры —1,7_ —2 °С.
Общий объем статистических данных составил 189 строк.
Для их анализа был выбран аппарат математической статистики и использованы методы регрессионного анализа. Показатели для анализа были определены на основе теоретических и
10 ПИВО и НАПИТКИ 2012
практических знаний о технологии производства пива. В соответствии с целью работы в качестве зависимого фактора была выбрана стойкость пива, измеряемая в сутках. В качестве независимых факторов были взяты следующие показатели: норма внесения стабилизатора; температура фильтрации; время холодной выдержки; температура холодной выдержки; содержание белка в солоде. В ходе анализа перечисленные факторы были рассмотрены как в количественном, так и в качественном отношении. Показатели «барботирование в фор-фасе» и «мутность» анализировались только как качественные факторы.
Значения количественных показателей были взяты из исходных данных; если данные однозначно не принимали какое-либо значение, т. е. был указан некий диапазон значений, то для анализа использовали среднее арифметическое значение диапазона.
Значения качественных показателей определяли по правилам математической статистики путем введения фиктивных дихотомических переменных. Если фактор принимает два значения, то вводится одна переменная, которая может принимать значения 0 и 1; если фактор принимает три или четыре значения, то вводятся две переменные, также принимающие значения 0 и 1, и все возможные варианты значений фактора описываются комбинациями нолей и единиц введенных переменных, и т. д.
В проведенном анализе введение и описание переменных для качественных факторов проводились с применением норм показателей, определенных при производстве пива. В основном вводили одну либо две переменные, описывающие соответственно значения «норма — не норма» и «ниже нормы — норма — выше нормы». Например, показатель «время холодной выдержки» в ходе анализа описывался как одной, так и двумя переменными. Обозначив фиктивные переменные как х3 (при одной переменной) и х31, х32 (при двух переменных), получили следующие комбинации: х3 = 0, когда время холодной выдержки равнялось четырем дням, и х3 = 1 — в противном случае; х = 0, х32=0 при норме показателя, х =1, х32 = 0 при значении ниже нормы и х = 0, х32 = 1, когда значение было выше нормы.
В анализе также присутствовали качественные факторы, описывающие какое-либо условие протекания процесса производства пива либо состояние
пива. Например, показатель «барботирование в форфасе» был описан с помощью одной фиктивной переменной, которая принимала значение, равное 1, если было произведено перемешивание в форфасе, в противном случае она приравнивалась 0.
Анализ данных проводили на персональном компьютере в программе MS Excel. Показатели, оказывающие наибольшее влияние на стойкость пива, выявляли путем составления уравнения множественной регрессии с помощью регрессионного анализа. При получении уравнений регрессии был проведен анализ наиболее значимых факторов. Составление набора факторов, включаемых в уравнение, происходило методами исключения и шагового регрессионного анализа. Значимость фактора, а затем и полученного уравнения оценивали по нескольким статистическим показателям. Основные выводы были сделаны на основе следующих: парные коэффициенты корреляции; коэффициент множественной корреляции; коэффициент множественной детерминации; F-крит-ерий Фишера; t-критерий Стьюдента.
Результаты анализа показали, что ни один фактор не обладает сильной коррелированной связью с зависимым фактором. Мультиколлинеарность факторов в любых их сочетаниях отсутствует, это говорит о том, что получаемые коэффициенты регрессии устойчивы к малым изменениям данных. Отсутствие муль-тиколлинеарности объясняется тем, что все факторы практически не коррелируют между собой и поэтому все корреляционные связи в данной работе рассматриваются между фактором и зависимой переменной. Наибольшую значимость показали следующие факторы: норма внесения стабилизатора; температура холодной выдержки; время холодной выдержки; мутность; барботирование в форфасе. Остальные факторы не оказывают практически никакого влияния на зависимую переменную по критериям регрессионного анализа.
На основе этих факторов было построено несколько уравнений регрессии. В конце анализа были отобраны наиболее значимые.
Показатель норма внесения стабилизатора включен практически во все анализируемые модели из-за своей статистической значимости. Рассматривается только как количественный показатель, потому что как качественный статистически незначим. Все коэффициенты, рассчитанные для этого фактора, показывают хорошую стати-
стическую значимость, оцениваемую с помощью ^критерия Стьюдента (значение от 3,3 и выше). Среднее значение коэффициента при факторе составляет 0,3371, это означает, что при увеличении показателя норма внесения стабилизатора на одну единицу стойкость пива должна увеличиться на 0,3371 дня.
Показатель температура холодной выдержки также важен; он включен практически во все анализируемые уравнения. Рассматривается как количественный показатель, как качественный — менее значим. Все коэффициенты, рассчитанные для этого фактора, показывают хорошую статистическую значимость, оцениваемую с помощью 1>критерия Стьюдента (значение от 2,3 и выше). Среднее значение коэффициента при факторе составляет -2,2832, это означает, что при увеличении показателя «температура холодной выдержки» на 1 °С, стойкость пива должна сократиться на 2,2832 дня.
Показатель время холодной выдержки — менее статистически значимый, чем предыдущие, но его включение в уравнения имеет смысл в качественном отношении, так как в количественном он мало значим. Его анализ происходил с добавлением как одной фиктивной переменной, так и двух. Описание введенных переменных для данного фактора приведено выше. Введение для этого фактора второй переменной нецелесообразно по статистическим критериям, однако при его введении уменьшается стандартная ошибка и при тестировании уравнения уменьшается абсолютная разность между теоретическими и статистическими данными. Коэффициенты, полученные для данного фактора, имеют хорошую статистическую значимость, оцениваемую с помощью ^критерия (от 2,5 и выше для одной переменной и от 1,7 и выше для двух переменных соответственно). Среднее значение коэффициента для одной введенной переменной составляет -2,7132. Это означает, что если время холодной выдержки не соответствует норме, т.е. четырем суткам, то стойкость пива снижается на 2,7132 дня. Среднее значение коэффициентов для двух введенных переменных составляет -3,8661 и -1,782 соответственно. Это означает, что при понижении нормы выдержки стойкость сократится на 3,8661 дня, а при превышении сократится на 1,782 дня.
Показатель мутность характеризует готовое пиво. Рассматривался только как качественный показатель. Критерием для определения значения
1 • 2012 ПИВО и НАПИТКИ 11
№ Уравнение F-критерий Стандартная ошибка
1 y= 66,119 +0,3443xt - 2,4875x4 - 3,4147x6 8,7525 6,2162
2 y= 67,793 +0,3268^ - 2,1259x4 - 3,246x3 - 3,7197x6 9,0172 6,0905
3 y= 67,929+0,3482^ - 2,2078x4 - 4,224x31 - 1,706x32 - 3,602x6 7,8428 6,0610
4 y=68,870+03332xt - 2,5329x4 - 3,556x31 - 1,616x32 - 3,494x6 - 3,265x7 8,6735 5,9059
5 y= 68,754+0,3128^ - 2,4598x4 - 2,022x3 - 3,603x6 - 3,310x7 9,7930 5,9322
6 y=66,561+0,3343xt - 2,170x4 - 2,8718x3 7,4777 6,2732
7 y=66,759+0,3584xt - 2,261x4 - 3,994x31 - 1,936x32 6,5354 6,2327
8 y= 70,098+0,3339xt - 1,709x4 - 4,2448x31 - 1,916x32 5,8331 6,2747
9 y= 67,768+0,3425xt - 2,595x4 - 3,3118x31 - 1,836x32 - 3,373x7 7,6795 6,0722
10 y= 67,596+0,3195xt - 2,514x4 - 2,2375x3 - 3,4285x7 8,6859 6,1089
Примечание. у — стойкость; х — норма внесения стабилизатора; х3, х31, х32 — время холодной выдержки; х4 — температура холодной выдержки; х6 — мутность; х7 — барботирование в форфасе.
График уравнения y = 68,754 + 0,3128x1 - 2,4598*. - 2,022x3 - 3,603x6 - 3,310x7
фиктивной переменной было состояние мутности пива. Если мутность превышала норму, то фиктивная переменная принимала значение 1, в противном случае — 0. Все коэффициенты, рассчитанные для данного фактора, имеют хорошую статистическую значимость, оцениваемую с помощью ^критерия (от 3,3 и выше). Среднее значение коэффициента при факторе составляет -3,5666, это означает, что при повышенной мутности пива стойкость пива сокращается на 3,5666 дня.
Показатель барботирование в форфасе рассматривался как качественный. Фиктивная переменная, введенная для этого фактора, принимала значение, равное 1, если было произведено перемешивание в форфасе, и 0 — в противном случае. Коэффициенты, рассчитанные для данного показателя, имеют хорошую статистическую значимость, оцениваемую с помощью ^критерия (от 3,3 и выше). Среднее значение коэффициента составляет -3,316, это означает, что при осуществлении перемешивания в форфасе стойкость пива сокращается на 3,316 дня.
По результатам анализа были получены уравнения множественной
регрессии. В таблице приведены наиболее статистически значимые.
Свободные члены в уравнениях показывают совокупное влияние на стойкость пива признаков, не учтенных в анализе. Это означает, что достижение стойкости пива до 67-70 сут — результат действия непроанализированных факторов.
Из таблицы видно, что уравнения, в которых присутствуют такие факторы, как барботирование в форфасе и мутность, дают наиболее хорошие результаты. Уравнение № 5 имеет наибольшую статистическую значимость и одну из самых маленьких стандартных ошибок, поэтому можно предположить, что оно и будет искомым уравнением при анализе рассмотренных факторов. В это уравнение входят следующие факторы: норма внесения стабилизатора; время холодной выдержки; температура холодной выдержки; мутность и барботирование в форфасе.
При анализе полученных математических зависимостей обнаружена незначимость такого показателя, как содержание белка в солоде. Вероятно, это связано с тем, что общее количество белков в исследованных образцах
солода не превышает рекомендуемых норм.
Для всех полученных уравнений коэффициент множественной детерминации достаточно низок. Это означает, что в анализ не были включены какие-то признаки, оказывающие сильное влияние на стойкость пива.
Все уравнения были протестированы на предмет соответствия теоретических данных статистическим. В результате тестирования получены графики соответствия этих данных, а также на них отражена линия разности. На рисунке приведен график уравнения № 5. Можно заметить, что линия yt как бы центрирует линию yулавливая общую тенденцию, но не улавливая одиночных колебаний.
По оси абсцисс — номера значений, соответствующих номерам предоставленных статистических данных; по оси ординат — стойкость пива в сутках; yp (практические значения) — статистические показатели стойкости пива в днях; yt (теоретические значения) — показатели стойкости пива в днях, полученные с помощью выведенного уравнения; ABS (абсолютная разница) — абсолютная разница значений ypp и у.
Таким образом, на основе анализа математических зависимостей влияния основных факторов и технологических приемов были выявлены наиболее значимые из них. Особое влияние на стойкость оказывают: норма внесения стабилизатора, температура холодной выдержки, время холодной выдержки, мутность, барботирование в форфасе. Эти факторы включены в значимое уравнение № 5 (см. рисунок).
Норма внесения стабилизатора связана со стойкостью пива прямо пропорциональной зависимостью. Температура холодной выдержки связана со стойкостью пива обратно пропорциональной зависимостью. Время холодной выдержки показывает, что и превышение, и понижение нормы ведет к ухудшению стойкости, но при ее понижении стойкость уменьшается гораздо сильнее. Превышение нормы мутности также приводит к уменьшению стойкости пива. Барботирование в форфасе имеет обратно пропорциональную связь со стойкостью, т. е. при его применении стойкость пива ухудшается.
Таким образом, использование математического анализа статистических данных позволяет оценить уровень влияния различных технологических факторов на стойкость пива с целью регулирования технологического процесса на предприятии. &
12 ПИВО и НАПИТКИ 2012
