Применение флокулянтов для повышения стойкости сброженных напитков Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Применение флокулянтов для повышения стойкости сброженных напитков

И. Ю. Сергеева, В. А. Помозова, Т. В. Шевченко, А. Л. Сыроватко

Кемеровский технологический институт пищевой промышленности

Д. Г. Захаренко

ОАО «Читинские ключи»

Большинство напитков брожения представляют собой гетерогенные дисперсные системы, состоящие из двух фаз, одна из которых — дисперсная — раздроблена и распределена в сплошной дисперсионной среде. По кинетическим свойствам напитки являются свобод-нодисперсными системами, в которых частицы дисперсной фазы могут свободно передвигаться. По размеру частиц напитки представляют собой микро-и ультрамикрогетерогенные дисперсии (коллоидные системы). Микросоставляющая смеси (взвеси) представлена дрожжевыми клетками.

Осветление напитков преследует цель — удаление из напитка взвешенных и коллоидных частиц для придания ему прозрачности, биологической и коллоидной стойкости.

Для ускорения процесса осветления различных напитков используют высокомолекулярные флокулянты, как правило, в сочетании с другими осветляющими и стабилизирующими веществами [1, 2]. Флокулянты — это водорастворимые высокомолекулярные соединения, которые при введении в дисперсные системы адсорбируются или химически связываются с поверхностью частиц дисперсной фазы и объединяют частицы в агломераты (флокулы), способствуя их быстрому осаждению [3].

В отличие от компактных коагулятов, возникающих при действии на дисперсии низкомолекулярными электролитами, при флокуляции образуются более крупные и рыхлые агрегаты. Флокуляция — необратимый процесс по сравнению с коагуляцией, когда возможна дезагрегация (пептизация) осадка при уменьшении со-

держания низкомолекулярного электролита в растворе. Согласно представлениям Ла Мера, макромолекула флокулянта в результате одновременной адсорбции на двух или нескольких частицах дисперсии связывает их в агрегаты полимерными мостиками и снижает устойчивость дисперсной системы [3].

В настоящее время перспективным направлением является исследование влияния так называемых флокулянтов «прямого действия», т. е. без дополнительного применения коагулянтов. В качестве высокомолекулярных водорастворимых флокулянтов используют неорганические полимеры (например, полимерную кремниевую кислоту), природные полимеры (производные целлюлозы, крахмал и его производные) и синтетические органические полимеры (полиэтиленоксид, поливиниловый спирт, поливинилпиридины, полиакри-ламидные флокулянты). Среди синтетических органических полимеров наибольшее распространение и применение получила группа полиакриламидных флокулянтов — ПААФ [3, 6].

Рядом авторов показана возможность осветления напитков брожения с использованием натуральных фло-кулянтов, которые конгломерируют с дрожжевыми клетками с дальнейшим ускорением их осаждения [4].

Цель данной работы — исследование возможности и основных закономерностей осветления напитков путем использования синтетических флокулянтов.

В настоящее время наиболее качественны и стабильны на рынке полиэлектролитов флокулянты фирмы «Сиба» [5]. В исследованиях применяли полиа-

криламидный флокулянт анионного действия серии Магнафлок-6250, который относится к разряду сверхвысокомолекулярных соединений, флокулирующая способность которых резко возрастает при одновременном снижении удельного расхода.

Флокулирующая способность поли-акриламидного флокулянта в промышленных дисперсных системах зависит от большого количества факторов, поэтому затруднена оценка влияния отдельных факторов на флокулирующий эффект. Целесообразнее изучать фло-кулирующую активность ПААФ на модельных дисперсных системах [3].

На первом этапе нами изучена фло-кулирующаю способность ПААФ на модельных системах. Модельные растворы представляли собой гетерокомпонент-ные системы, в состав которых входили: пивные дрожжи в количестве 1,5; 2,5 и 3,5 млн кл/см3, сахар — от 3,5; 4,5 и 5,5 %. Состав модельных систем был обусловлен содержанием данных компонентов в наиболее распространенных сброженных напитках (табл. 1).

Модельные растворы помещали в прозрачные цилиндры. Эксперимент проводился при температуре 0...2 °С. Таким образом моделировали процесс до-браживания пива, как наиболее распространенного напитка брожения.

Концентрации флокулянта в реакционной среде составляла 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 1 мг/дм3. В течение 6 ч через каждый час визуально определяли высоту прозрачного столба(рассчитывали процент осветления) и степень оседания дрожжей микроскопированием. Контрольными образцами служили показатели и модельных растворов без добавления флокулянта.

На основании полученных экспериментальных данных были определены удельные скорости снижения концентрации дрожжей и осветления растворов в зависимости от концентрации ПААФ (рис. 1-8).

Данные исследований свидетельствуют о том, что при постоянном количестве

Концентрация флокулянта, мг/дм3

Рис. 1. Зависимость удельной скорости снижения содержания дрожжей при концентрации: сахара 3,5 %;

дрожжевых клеток 1,5 млн/см3

Таблица 1

Концентрация сахара Концентрация дрожжей

Условная величина

Условная величина Натуральная величина, % п

Натуральная величина, млн кл/см3

1,5 2,5 3,5

3,5

4,5 ХгУг Х/3

Х3 5,5 Чг

ПИ

НАПИТКИ А 5- 2007

24

5,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Концентрация флокулянта, мг/дм3

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Концентрация флокулянта, мг/дм3

Рис. 2. Зависимость удельной скорости снижения содержания дрожжей при концентрации: дрожжевых клеток 1,5 млн/см3; сахара: а — 4,5 %; б — 5,5 %

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Концентрация флокулянта, мг/дм3

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Концентрация флокулянта, мг/дм3

Рис. 3. Зависимость удельной скорости снижения содержания дрожжей (а) и осветления (б) при концентрации: сахара 3,5%; дрожжевых клеток 2,5 млн/см3

0

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Концентрация флокулянта, мг/дм3

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Концентрация флокулянта, мг/дм3

Рис. 4. Зависимость удельной скорости осветления (а) и снижения содержания дрожжей (б) при концентрации: сахара 4,5 %; дрожжевых клеток 2,5млн/см3

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Концентрация флокулянта, мг/дм3

3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5

й 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Концентрация флокулянта, мг/дм3

Рис. 5. Зависимость удельной скорости снижения содержания дрожжей (а) и осветления (б) при концентрации: сахара 5,5 %; дрожжевых клеток 2,5 млн/см3

дрожжевых клеток в среде, равном 1,5 и 3,5 млн/см3, средняя величина удельной скорости оседания дрожжей увеличивается с повышением концентрации сахара в растворе (рис. 1, 2, 6-8).

При содержании дрожжей в среде 1,5 млн/см3 с увеличением вязкости раствора (т. е. увеличение концентрации сахара) наблюдалось перемещение эффективной дозы ПААФ в область меньших концентраций. Так, при содержании сахара 3,5 % эффективная доза внесения ПААФ составляла 0,4 мг/дм3, при 4,5 % — 0,1 и при 5,5 % — 0,2 мг/дм3.

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Концентрация флокулянта, мг/дм3 | - 4,5 ^ 6

¡'S 4 I § 3,5

и о 3 -Ott -1

g ? 2,5

ср s 9

CD ^ 2

U & 1,5

m ^ 1 ГО Ф 1

£ I 0,5

5 2 г, й 0

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Концентрация флокулянта, мг/дм3

Рис. 6. Зависимость удельной, скорости осветления (а) и снижения содержания дрожжей (б) при концентрации: сахара 3,5%; дрожжевых клеток 3,5 млн/см3

Однако при концентрации дрожжевых клеток в среде 2,5 млн кл/см3 (рис. 3-5) отмечали обратно пропорциональную зависимость средней величины удельной скорости оседания дрожжей от концентрации сахара в растворе. Чем более вязким становится раствор, тем скорость осаждения дрожжей ниже. Характерная особенность данного сочетания параметров эксперимента состоит в том, что пик максимальной удельной скорости оседания дрожжей пришелся на концентрацию флокулянта 0,4 мг/дм3.

При концентрациях сахара в модельной системе 3,5 и 4,5 % величины удельных скоростей осветления одного порядка, а при содержании сахара 5,5 % средняя скорость осветления дисперсной системы резко увеличилась (более чем в 10 раз).

Наиболее эффективная доза внесения ПААФ в модельный раствор, содержащий дрожжевых клеток порядка 3,5 млн / см3, независимо от концентрации сахара, — 0,4 мг/дм3. При этом наблюдалась обратная зависимость средней величины удельной скорости осветления от концентрации сахара в растворе, т.е. чем выше содержание сахара в модельной смеси, тем ниже скорость осветления (рис. 6-8).

Все пики удельных скоростей оседания дрожжей и осветления смеси, характеризующие максимальную величину скорости, совпали для всех вариантов опытных модельных систем.

Результаты экспериментов показали, что внесение флокулянта в количестве 0,5 и 1 мг/ дм3 не оказывает значимого эффекта флокуляции дрожжевых клеток при высоком содержании сахара и дрожжей (5,5 % и 3,5 млн/см3). Это подтверждает результаты исследований ряда ученых о том, что дестабилизация дисперсной системы происходит при малых добавках полимера, что свидетельствует о высокой эффективности флокулянтов данной группы [3, 6].

В дальнейшем исследовали применение ПААФ с целью осветления молодого пива в процессе дображивания. Одновременно оценивали влияние ПААФ на процесс образования вторичных продуктов брожения и на формирование органолеп-тических показателей готового напитка.

0

0

0

Проведенные ранее исследования показали, что наиболее эффективная дозировка ПААФ для модельных растворов, в состав которых был введен белок как потенциальный компонент коллоидной мути напитков, — 0,2 мг/дм3. При этом отмечали максимальную скорость оседания дрожжей и белка [7].

Согласно цели данного этапа эксперимента, а именно — изучить влияние флокулянта на процесс дображивания пива с точки зрения формирования вкуса и аромата готового напитка, в пиво вносили и повышенные дозы флокулян-та: опыт 1 — содержание флокулянта 0,2 мг/дм3, опыт 2-0,3 мг / дм3, опыт 3-0,4 мг/дм3, опыт 4-0,5 мг/дм3. Контрольным служило пиво без добавления флокулянта. Визуально контролировали процесс осветления, определяли количество дрожжевых клеток, содержание полифенолов, а также белков фракции А, как одной из главных составляющих коллоидной мути пива. Результаты эксперимента представлены на рис. 9.

Проведенные исследования показали, что флокулянт положительно влияет на процесс дображивания пива. При визу-

ä s

s s

и о

-Û & Ь

о S

& s

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Концентрация флокулянта, мг/дм3

0,35 и

яи не 0,3

те 0,25

U о 0,2

ь о 0,15

ро 0,1

яа 0,05

л 0 0

б

Концентрация флокулянта, мг/дм3

Рис. 7. Зависимость удельной скорости снижения содержания дрожжей (а) и осветления (б) при концентрации: сахара 4,5 %; дрожжевых клеток 3,5 млн/см3

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Концентрация флокулянта, мг/дм3

Концентрация флокулянта, мг/дм3

Рис. 8. Зависимость удельной скорости осветления (а) и снижения содержания дрожжей (б) при концентрации: сахара 5,5 %; дрожжевых клеток 3,5 млн/см3

Таблица 2

150 140 130 120 110 100 90

12,6 ' g - 12,4 §512,2 È^ 12 v8 i 11,8 ие ии11,6 1 * 11,4 1^11,2 S-®- 11

1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4

t I

5 10 15 Время, сут

20

25

5 10 15 Время, сут

5 10 15 Время, сут

20

25

Концентрация флокулянта, мг/дм3:

— 0 (контроль); — 0,2 (опыт 1);

— 0,3 (опыт 2);- 0,4 (опыт 3);

— 0,5 (опыт 4)

Рис. 9. Влияние ПААФ на процесс

дображивания пива: а — содержание полифенолов; б — содержание белков фракции А; в — общее количество дрожжевых клеток

0

0

20

25

в

0

Показатель Концентрация флокулянта, мг/ дм 3

0 (контроль) 0,2 0,3 0,4 0,5

Содержание полифенолов, мг/дм3 128,0 110,2 114,2 100,2 97,8

Кислотность, к. ед. 2,3 2,3 2,3 2,3 2,3

Таниновый показатель, ед. опт. плот. 0,285 0,265 0,275 0,255 0,255

Содержание фракции А белка, мг/100 см3 11,98 11,00 11,59 10,87 10,87

Объемная доля спирта, % 4,33 4,31 4,32 4,33 4,31

Цветность, ц. ед. 0,78 0,74 0,72 0,72 0,72

Массовая доля действительного экстракта, % 5,40 5,54 5,54 5,40 5,54

Таблица 3

Вещество Концентрация флокулянта, мг/ дм3

Контроль 0,2 0,3 0,4 0,5 Погрешность результата, %

Ацетальдегид, мг/дм3 8,3 7,5 7,1 9,5 6,4 <10

Этилацетат, мг/дм3 15,0 16,2 19,1 16,2 18,8 <10

Пропанол, мг/дм3 3,7 2,5 2,5 2,8 1,8 <15

Изобутинол, мг/дм3 10,5 10,9 9,2 7,5 8,8 <15

Изоамилацетат, мг/дм3 30,3 31,5 40,4 35,5 32,5 <15

Спирт изоамиловый, мг/дм3 64,0 69,0 69,1 65,9 70,9 <15

альном осмотре было отмечено, что в опытных образцах происходит более интенсивное осветление пива, чем в контрольных.

Как видно из рис. 9, а и б, флокулянт эффективно осаждает биополимеры молодого пива. Между положительно заряженным белком и отрицательно заряженным флокулянтом происходит ионное взаимодействие, т.е. реакция нейтрализации, в результате которой образуется осадок.

Содержание полифенольных веществ также снижается. Возможно, эти вещества, имеющие одинаковый заряд с флоку-лянтом, удаляются за счет возникновения явления «мостиковой коагуляции», т.е.

при достижении определенной концентрации флокулянта в реакционной среде происходит взаимодействие отрицательно заряженных ионов полифенолов и отрицательно заряженных ионов флокулянта, вследствие чего образуется осадок.

Кроме того, белки и полифенолы, как разноименно заряженные частицы, взаимодействуют друг с другом с образованием белково-дубильных комплексов, а белок, в свою очередь, связывается с флокулянтом, и возникающие таким образом агломераты выпадают в осадок.

Удаление белков в большом количестве нежелательно, так как их низкое со-

5•2007

26

держание в дальнейшем может повлиять на пенистость, пеностойкость и полноту вкуса готового продукта. В случае с полифенолами аналогично, так как они участвуют в формировании таких показателей пива, как вкус и цвет, и удаление их в большом количестве также нежелательно.

На заключительном этапе исследований изучали влияние флокулянта на качественные показатели готового пива. В связи с этим был проведен физико-химический анализ исследуемого продукта, а также определен состав вторичных продуктов брожения. Контрольными служили показатели пива, не обработанного флокулянтом. Полученные результаты приведены в табл. 2, 3.

Как показывают данные таблиц, существенных различий в физико-химических показателях опытных и контрольных образцов пива не установлено. Кислотность, содержание спирта, массовая доля действительного экстракта в опытных образцах практически не отличались от контрольных. Наблюдали незначительное снижение цветности пива.

Однако содержание потенциальных мутеобразователей, таких, как полифе-нольные вещества, снизилось на 10-24 %, белка фракции А — на 4-10 %.

Наиболее благоприятное содержание белков и полифенолов для получе-

ния стойкого напитка с полноценными органолептическими показателями наблюдается при добавлении флокулянта в количестве 0,2 мг/дм3. При этом содержание полифенольных веществ составило на 14 %, белка фракции А — на 8 % ниже контрольного уровня. Данную дозировку можно рекомендовать в качестве оптимальной.

С точки зрения формирования полноты вкуса, вторичных продуктов брожения флокулянт не оказывает отрицательного влияния на показатели готового пива, позволяя получать напиток, удовлетворяющий стандартам. Согласно проведенному дегустационному анализу органолептиче-ские показатели опытных образцов улучшались по сравнению с контрольным.

Таким образом, проведенные исследования показали, что при внесении фло-кулянта в незначительных количествах он эффективно удаляет потенциальные мутеобразующие вещества сброженных напитков, способствует ускорению осаждения дрожжевых клеток, не оказывает неблагоприятного воздействия на процессы формирования органолептических показателей готового изделия. На основании полученных экспериментальных данных можно сделать вывод о возможности применения высокомолекулярных синтетических флокулянтов с целью регулирования качественного состава

сброженных напитков и для повышения

их стойкости.

ЛИТЕРАТУРА

1. Липецкая А. Е., Сахаров Ю. В. Средства для осветления и стабилизации и эффективность их использования при обработке плодовых соков и вин//Пищевая промышленность. 1999. № 6. С. 38-41.

2. Зипчепко В. И., Макаров А. С. Новый флокулянт для обработки виноматериалов//Пиво и напитки. 1999. № 4. С. 58-59.

3. Курепков В. Ф. Полиакриламид. — М.: Химия, 1992.

4. Емельянова Л. К., Елисеев М. Н. Увеличение биологической стойкости медового напитка//Пиво и напитки. 2003. № 6. С. 28-29.

5. ЯковчепкоМ.А., УльрихЕ. В., Шевченко Т.В. Интенсификация процесса очистки воды модифицированными флокулянтами/Сб. тез. докладов аспирантско-студенческой конференции «Пищевые продукты и здоровье человека». — Кемерово, 2003.С. 27.

6. Вейцер Ю. М. Высокомолекулярные флокулян-ты в процессах очистки природных и сточных вод. — М.: Стройиздат, 1984.

7. Сергеева И. Ю., Помозова В. А., Сыроват-коА. Л., ЗахарчепкоД. Г. Стабилизация напитков с использованием флокулянтов//Сб. докладов IV Международной конференции-выставки «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства их реализации». Ч. 1. — М., 2006. С. 290-292. ®

Линии розлива

напитков, воды, кваса, пива, молочных продуктов, шампуней, одеколонов, тосола и других жидкостей.

Оборудование для выдува ПЭТ-тары

¿526028, Удмуртия г. Ижевск, ул. Пойма, 29 тел./факс: (3412) 50-69-60, 50-69-70 моб. тел.: 8-(912}-851-09-55

e-mail: [email protected] сайт: www.avis-izh.ru