CC BY
31
СЫРЬЕ и МАТЕРИАЛЫ
УдК 663.444.7
Повышение экстрактивности хмеля с помощью акустической обработки
Д. В. Карпенко,
д-р техн. наук, доцент; И. Э. Позднякова,
студент
Московский государственный университет пищевых производств
Технологическая и экономическая эффективности любого производства зависят от многих факторов, один из которых — это глубина переработки и эффективность использования основного сырья [1], а также вспомогательных материалов, в частности, ферментных препаратов. Недостаточное использование технологически ценных компонентов основного сырья не только повышает затраты, но может создавать дополнительные сложности при утилизации вторичных сырьевых ресурсов производства.
Сказанное выше справедливо и для пивоваренного производства, в котором эффективность использования растительного сырья (солода, хмеля) и вспомогательных материалов (прежде всего, ферментных препаратов) в значительной мере определяют конкурентоспособность предприятия. Один из наиболее дорогостоящих видов сырья, хотя и используемого в сравнительно небольших количествах, — это хмель. При использовании традиционного шишкового и молотого гранулированного хмеля задача как можно более полного извлечения из него технологически ценных компонентов (горьких веществ, хмелевых масел, полифе-нольных веществ и т. д.) должна быть решена непосредственно на пивоваренном предприятии на стадии кипячения сусла с хмелем.
Очевидно, повысить степень перехода этих групп соединений можно за счет предварительной обработки препарата хмеля. В настоя-
щее время предлагаются различные способы воздействия на растительное сырье, в результате которых повышается количество извлекаемых из него целевых компонентов. Их результативность зависит от принципа, на котором базируется такая обработка. Основными промыш-ленно применяемыми способами увеличения выхода технологически ценных компонентов хмеля служат собственно измельчение хмелевых шишек, обеспечивающее увеличение поверхности контакта экстра-гента (воды) и экстрагируемого материала (фрагментов хмелевой шишки), оптимизация параметров проведения кипячения сусла с хмелем (продолжительность стадии, кратность внесения хмеля, поддерживаемое давление, применяемое оборудование), а в случае использования хмелевых экстрактов — подбор условий их приготовления, однако эта задача решается вне пивоваренного предприятия.
По нашему мнению, целесообразно изучить возможность повышения степени извлечения ценных компонентов хмеля за счет его обработки до начала стадии кипячения с суслом, которая может быть проведена непосредственно на предприятии, например, в случае снижения пивоваренных характеристик этого вида сырья в результате длительного или неоптимального хранения. На крупном предприятии результативное проведение такой обработки обеспечило бы значимый экономический эффект за счет снижения расхода этого вида сырья на единицу продукции, а на малом
ПИВО и НАПИТКИ
6 • 2016
предприятии позволило бы снизить колебания потребительских характеристик готового пива от партии к партии при использовании препаратов хмеля невысокого качества.
На кафедре «Технологии бродильных производств и виноделие» МГУПП на протяжении последних лет проводятся исследования результатов воздействий на сырье и полупродукты пивоварения и безалкогольных производств, основанных на различных принципах [2-5]. Достаточно эффективным зарекомендовал себя подход, основанный
на обработке объектов различной природы звуком слышимого диапазона (20-20 000 Гц) [6-8]. Акустическая обработка, по крайней мере в условиях эксперимента, позволяла повысить активности пивных дрожжей и целевых ферментов ферментных препаратов различного типа действия, экстрактивность пивоваренного ячменного солода и других видов сырья для производства безалкогольных и слабоалкогольных напитков.
Вследствие этого нами было принято решение изучить возможность
120 -
80 -
20 "
8000 10000 12000 Частота звука, Гц Опыт Контроль
14000 16000 18000 20000
140 -г
100 -
60 -
40 "
0
20
2000
4000
6000
Рис. 1. Влияние акустической обработки при разных частотах на содержание полифенольных веществ в экстракте молотого гранулированного хмеля
110 т
80 Н-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1
20 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 Частота звука, Гц Опыт Контроль
Рис. 2. Влияние акустической обработки при разных частотах
на цветность экстракта молотого гранулированного хмеля
повышения степени извлечения технологически ценных компонентов молотого гранулированного хмеля с помощью обработки сырья звуком с частотой из указанного выше диапазона.
Для формирования опытных образцов гранулы измельчали до порошкообразного состояния, отбирали навески массой 2,0 г каждая и обрабатывали звуком фиксированной частоты из диапазона 10-20 000 Гц с шагом около 2000 Гц. Используемая компьютерная программа «Generator» позволяла генерировать звук с дискретными частотами, из которых выбирали наиболее близкие к 1000, 2000 Гц и так далее. Обработку проводили в течение 60 мин при комнатной температуре с использованием динамика для персонального компьютера мощностью 2 Вт. Расстояние от источника звука до навески ферментного препарата составляло 5,9 см. Контрольный вариант представлял такую же навеску измельченного гранулированного хмеля, которую выдерживали в другом помещении, где она не подвергалась воздействию звука, при тех же условиях: 1 ч при комнатной температуре. После этого оба образца подвергали экстракции в соответствии с методом определения содержания полифенольных соединений [9]. Кроме этого показателя в полученных экстрактах, опытном и контрольном, определяли содержание сухих веществ (СВ) рефрактометрическим методом, а также цветность (оптическую плотность при длине волны 400 нм). К сожалению, в нашем распоряжении не имелось реализуемого метода непосредственного определения горьких веществ и/или хмелевых масел, поэтому эффективность акустической обработки оценивали по косвенным показателям, перечисленным выше. При этом мы исходили из предположения, что степень извлечения наиболее важных компонентов хмеля была тем выше, чем больше было содержание полифенолов и СВ в экстракте, а также чем выше была интенсивность его окраски. Результаты всей серии экспериментов представлены на рис. 1-3. Для удобства их сопоставления величины концентрации полифенольных, сухих веществ, а также величину оптической плотности контрольного образца принимали за 100%, а
6 • 2016 ПИВО и НАПИТКИ 47
80
60
20 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 Частота звука, Гц Опыт Контроль
120
100
40
20
0
Рис. 3. Влияние акустической обработки при разных частотах на содержание сухих веществ в экстракте молотого гранулированного хмел
Показатель Прирост значения по сравнению с контролем,%
Содержание полифенольных соединений 14,5
Цветность 5,9
Концентрация СВ 16,6
значения этих же показателей выражали в процентах по отношению к ним.
По нашему мнению, приведенные на рисунках данные свидетельствуют о том, что акустическая обработка в описанных выше условиях позволила изменить контролируемые показатели хмелевого экстракта. Влияние обработки было как положительным, так и отрицательным, в зависимости от частоты звука, при которой она проводилась. Так, концентрацию по-лифенольных веществ в экстракте удалось повысить примерно на 20% по сравнению с контролем в результате обработки звуком с частотой 6000, 10 000 и 16 000 Гц, а воздействие звуком с частотой 2000 Гц привело к снижению содержания этих соединений более, чем на 20%.
Цветность экстракта, полученного из хмеля, обработанного звуком с частотами из диапазона 2000-8000 Гц, была на 7-12% ниже, чем в соответствующих контрольных вариантах, тогда как обработка при 16 000 Гц обеспечила увеличение этого показателя более, чем на 5%.
В наименьшей степени акустическая обработка повлияла на содержание СВ в экстракте хмеля: только в эксперименте, в рамках
которого обработку проводили при 14 000 Гц наблюдалось существенное изменение (падение более, чем на 40 %) этого показателя. По нашему мнению, наиболее вероятной причиной такой разницы была ошибка определения, а не влияние звуковой обработки. Кроме того, нами было выдвинуто предположение о том, что отсутствие разницы между значениями концентрации СВ в контрольных и опытных образцах экстракта молотого гранулированного хмеля обусловлено недостаточной чувствительностью метода определения этого показателя, а не отсутствием влияния звука слышимого диапазона, так как значения других определяемых характеристик менялись в результате акустической обработки достаточно существенно.
В целом, на основании первой серии экспериментов был сделан вывод о том, что наиболее целесообразно проводить акустическую обработку при частоте 16 000 Гц, так как именно в этом случае наблюдалась наибольшая интенсификация процесса экстракции технологически ценных компонентов препарата хмеля.
Для подтверждения и уточнения этого заключения была прове-
дена вторая серия экспериментов, в которой обработку проводили в тех же условиях, что и описанные выше, за исключением того, что обработку проводили звуком с частотами из диапазона 14 00018 000 Гц, а шаг варьирования частоты звука равнялся 1000 Гц. Кроме того, содержание СВ в контрольных и опытных образцах экстрактов определяли пикнометриче-ским методом. Полученные результаты подтвердили, что наиболее эффективна из рассмотренного диапазона акустическая обработка при 16 000 Гц, обеспечивающая прирост значений контролируемых показателей экстракта, как это указано в таблице.
С нашей точки зрения, результаты второй серии экспериментов хорошо согласуются с полученными ранее, за исключением содержания СВ в экстракте, значения которого изменялось по сравнению с таковыми в контрольных вариантах в результате воздействия на препарат хмеля звука слышимого диапазона. Причиной этого, вероятно, было использование более чувствительного метода определения.
Было выдвинуто предположение, что интенсифицирующий эффект акустической обработки молотого гранулированного хмеля может быть увеличен в результате оптимизации параметров проведения такого воздействия, например, его продолжительности. Исследования будут продолжены, об их результатах будет сообщено.
ЛИТЕРАТУРА
1. Тихомиров А. А. Повышение качества пищевой продукции путем использования методологии клиентно-ориентированного проектирования / А. А. Тихомиров // Пищевая промышленность. — 2016. — № 4. — С. 44-47.
2. Богдан И. В. Влияние формы контейнера для хранения на качество пивоваренного ячменного / Общеуниверситетская научная конференция молодых ученых и специалистов «День науки». Сборник материалов в 4 ч. / под общ. ред. Ю. А. Тыр-сина. Ч. IV: Общеуниверситетская научная конференция молодых ученых и специалистов «День науки». Сборник материалов / И. В. Богдан, Е. В. Пырко-ва, Д. В. Карпенко — М.: ИК МГУПП, 2014. — С. 54-58.
3. Омельченко Д. Г. Влияние формы контейнера для хранения на активность проте-
48 ПИВО и НАПИТКИ 6 • 2016
олитического ферментного препарата / Сборник материалов конференций в 15 ч. / под общ. ред. Т. А. Стахи. Ч. VI: Общеуниверситетская научная конференция молодых ученых и специалистов «День науки» / Д. Г. Омельченко, М. С. Волошина, М. В. Симанова, Д. В. Карпенко — М.: ИК МГУПП, 2015. — 239 с.
4. Самохвалова В. О. Влияние формы контейнера для хранения на характеристики пивных дрожжей / Сборник материалов конференций в 15 ч. / под общ. ред. Т. А. Стахи. Ч. VI: Общеуниверситетская научная конференция молодых ученых и специалистов «День науки» / В. О. Самохвалова, Н. В. Ульяновский, Д. В. Карпенко — М.: ИК МГУПП, 2015. — 239 с.
5. Сафарова Д. Р. Влияние условий хранения на результаты экстракции растительного сырья / Сборник материалов конференций в 15 ч. / под общ. ред. Т. А. Стахи. Ч. VI: Общеуниверситетская научная конференция молодых ученых и специалистов «День науки» / Д. Р. Сафарова, М. В. Лука-шина, Е. А. Комарова, Д. В. Карпенко — М.: ИК МГУПП, 2015. — 239 с.
6. Фомичева Е. А. Влияние акустической обработки на процесс экстракции растительного сырья / Сборник материалов конференций в 15 ч. / под общ. ред. Т. А. Стахи. Ч. VI: Общеуниверситетская научная конференция молодых ученых и специалистов «День науки» / Е. А. Фомичева, Ю. Э. Иванова, Н. В. Николае-
ва, Д. В. Карпенко — М.: ИК МГУПП, 2015. — 239 с.
7. Карпенко Д. В. Способ активации ами-лолитического ферментного препарата / Д. В. Карпенко, Т. А. Тихонова, К. К. Хо-дарев, Ю. Б. Овчинников, В. В. Безгубов // Пиво и напитки. — 2015. — № 4. — С. 42-44.
8. Карпенко Д. В. Изучение влияния акустических колебаний на качество пивоваренного ячменного солода / Д. В. Карпенко, М. А. Беркетова // Пиво и напитки. — 2012. — № 5. — С. 14-16.
9. Пичугина Т. В. Лабораторный практикум по курсу «Химия отрасли» / Т. В. Пичугина, А. И. Садова, Е. Ф. Шаненко. — М.: ИК МГУПП, 2008. — 52 с. &
Повышение экстрактивности хмеля с помощью акустической обработки
Ключевые слова
акустическая обработка препарата хмеля; препараты хмеля; экстракция компонентов хмеля.
Реферат
Конкурентоспособность современного пивоваренного предприятия зависит от целого ряда факторов, в том числе, от эффективности использования основного сырья и вспомогательных материалов, в первую очередь, имеющих высокую стоимость. В силу этого важно как можно более полное извлечение технологически ценных компонентов препаратов шишкового и молотого гранулированного хмеля. Для решения этой задачи могут быть использованы разные способы. В данной работе изучалась целесообразность и эффективность проведения акустической обработки молотого гранулированного хмеля звуком определенной частоты из диапазона 20-20 000 Гц до его использования в процессе охмеления пивного сусла. Обработку проводили в течение 60 мин при комнатной температуре. Ее результативность оценивали по косвенным показателям — цветности экстракта, содержанию в нем полифенольных и сухих веществ, — которые сравнивали с аналогичными показателями контрольного образца, полученного из того же препарата хмеля, не подвергавшегося воздействию звука слышимого диапазона. В результате проведения серии экспериментов было установлено, что акустическая обработка, проведенная в указанных условиях, может как повышать, так и понижать контролируемые показатели экстракта в зависимости от частоты звука. Наилучшие результаты обеспечило воздействие на препарат молотого гранулированного хмеля звука с частотой 16 000 Гц: содержание полифенольных веществ в экстракте возросло более, чем на 20%, а его цветность — более, чем на 5% по сравнению с контролем. Эти результаты были подтверждены в дополнительной серии экспериментов, в которой обработку препарата хмеля проводили звуком с частотами из диапазона 14 000-18 000 Гц. При использовании звука с частотой 16 000 Гц зафиксировано также повышение концентрации сухих веществ в экстракте почти на 17%. По мнению авторов, оптимизация параметров проведения акустической обработки препарата хмеля может позволить повысить ее эффективность.
Авторы
Карпенко Дмитрий Валерьевич, д-р техн. наук, доцент; Позднякова Ирина Эдуардовна, студентка Московский государственный университет пищевых производств 125080, Москва, Волоколамское шоссе, д. 11, DoKa.65@mail.ru
Increase of Hop Extract by Means of Acoustic Treatment
Key words
acoustic treatment of the hop preparation; hop preparations; extraction of components of hop.
Abstract
Competitive ability of modern brew plant depends of several factors, which include usage efficiency of main and auxiliary raw materials, especially, with high level of prices. Because of this fact, it becomes more important to extract necessary essential elements out of granulated hop preparations and whole hops. Different methods can be used for solution of this problem. In this research, practicability and efficiency of acoustic treatment on the hop preparation by sound with frequency between 20-20,000 Hz before it usage in brewing was researched. Treatment was carried out for 60 min at room temperature. It's results were estimated indirectly, by color grade of extract, amount of polyphenolic substances and dry matters, which were compared with the same parameters of control samples, which were obtained from the same hop preparation without acoustic treatment. As a result of the experiments series, it was found that acoustic treatment can increase and also decrease controlled parameters of extract, depending from frequency of sound. The best results were achieved with 16000 Hz acoustic treatment of granulated hop preparations: amount of polyphenolic components increased more than on 20% and its color grade more than on 5%, in comparison with control experiment. These results were confirmed in additional series of the experiments. In this series, experiments were carried out with sound's frequency between 14,000-18,000 Hz. It was also determined, that usage of 16,000 Hz acoustic treatment increased amount of dre matters on 17%. According to the authors opinion, the optimization of the hop preparation acoustic treatment will allow to increase its efficiency.
Authors
Karpenko Dmitrij Valer'evich, Doctor of Technical Sciences, Associate Professor;
Pozdnjakova Irina Jeduardovna, Student
Moscow State University of Food Production
11 Volokolamscoe Shosse, Moscow, 125080, Russia, DoKa.65@mail.ru
6 • 2016 ПИВО и НАПИТКИ 49
