CC BY
22
Процессы
и структурно-механические свойства пивного сусла
Е.В. Ильина
Московский государственный университет технологий и управления
В приготовлении пивного сусла участвуют процессы, связанные с разделением гетерогенных систем гидромеханическими методами: замачивание пивоваренного ячменя, измельчение солода, экстрагирование и фильтрование заторной массы, отстаивание пивного сусла, процессы перемешивания, а также адсорбция.
Участвующие в технологических процессах вещества обладают различными физическими свойствами (плотность, вязкость и др.) и характеризуются различными параметрами (скорость, температура, давление и др.).
Замачивание зерна можно отнести к процессу адсорбции. Замачивание зерна — важный этап в производстве пивоваренного солода. Достаточная влажность, наличие кислорода и оптимальная температура — важнейшие условия со-лодоращения.
Свободная вегетационная влага в зерне, появившаяся в результате искусственного насыщения его водой, обеспечивает переход в раствор питательных веществ и миграцию их к зародышу.
Необходимая степень влажности зерна достигается замачиванием его в воде или орошением водой. Влажность замоченного зерна слагается из его первоначальной влажности и количества воды, поглощенной зерном во время замочки. Степень замачивания считается благоприятной при влагосо-держании зерна от 42 до 48 %.
Поглощение воды зерном происходит неравномерно: сначала сравнительно быстро, а затем сильно замедляется. Движущей силой проникновения воды в зерно служит разность концентраций на поверхности и внутри зерна. Следовательно, с увеличением влагосодержания зерна разность концентраций воды внутри и снаружи зерна уменьшается, поэтому снижается и скорость замачивания. Особенно замедляется этот процесс при достижении зерном влажности 35 %.
Сущность адсорбционных процессов — до сих пор недостаточно выясненный и спорный вопрос, что не дает возможности рассматривать какую-
либо из существующих теорий адсорбции как наиболее вероятную.
Для объяснения процесса адсорбции предложено много теорий, которые можно разделить на физические и химические.
Из физических теорий наибольшее распространение имеет потенциальная теория, или теория сгущенного слоя. Согласно этой теории взаимодействие атомов, находящихся на поверхности твердого тела, с адсорбируемыми молекулами обусловливается ван-дер-ваальсовыми силами молекулярного сцепления. Над поверхностью твердого тела имеется поле действия сил притяжения (адсорбционное поле), попадая в которое, молекулы газа, пара или растворенного вещества притягиваются к поверхности с силой, пропорциональной потенциалу адсорбционного поля в данной точке, и располагаются в нем многими слоями.
Химическая теория адсорбции допускает существование лишь мономолекулярного адсорбционного слоя на поверхности твердого тела. По этой теории адсорбционные силы действуют лишь на очень коротком расстоянии, не превышающем величины диаметра молекул.
Дробление солода можно отнести к процессу измельчения. Основная цель дробления солода — облегчение и ускорение физических и биохимических процессов растворения содержимого солодового зерна при затирании, с тем чтобы обеспечить максимально возможный перевод экстрактивных веществ в водный раствор (сусло).
Зерноприпасы, применяемые для получения пивного сусла, состоят из целлюлозных оболочек и эндосперм. Они обладают разными физическими и химическими свойствами.
Оболочки, покрывающие зерно, состоят главным образом из целлюлозы с инкрустированными в нее лигнином, танинами и зольными веществами (в основном окислами кремния). Целлюлоза в воде нерастворима и в процессе затирания также не изменяется, а содержащиеся в оболочке дубильные
и зольные вещества растворимы и неблагоприятно влияют на вкус и цвет сусла. Классическая технология пива предусматривает сохранение целостности оболочек в наибольшей степени, чтобы уменьшить переход этих веществ в раствор. Следовательно, нецелесообразно и даже вредно производить тонкий помол оболочек и этим облегчать экстрагирование веществ, вредных для пива. При очень тонком помоле сильно раздробленные оболочки ухудшают и замедляют фильтрование затора в фильтрационном чане, где шелуха служит естественным фильтрующим материалом, так как слой дробины сильнее уплотняется и ее фильтрующая способность уменьшается. При этом замедляется спуск первого сусла, затрудняется экстрагирование дробины и становится невозможным полное извлечение вымываемого экстракта. Эндосперм состоит в основном из крахмала, других углеводов и белков — главных образова-телей экстракта солода. И поскольку экстрактивные вещества должны извлекаться по возможности полнее, необходимо стремиться как можно тоньше измельчить эндосперм.
Эффективность измельчения оценивается степенью измельчения, удельным расходом энергии на проведение процесса и удельной нагрузкой на рабочий орган измельчающей машины. В современной технике степень измельчения I выражают отношением суммарной поверхности частиц продукта Fп к суммарной поверхности частиц исходного материала F , т.е. I = F /F . м
п. м
Механические свойства тел проявляются при воздействии на них внешних сил, под влиянием которых образуются: упругое деформирование, пластическое течение и разрушение деформированного тела, определяющее наиболее характерное механическое свойство тела — его прочность.
Например, установлено, что прочность зерна и семян зависит от структуры их клеточного скелета, влажности и температуры. При влажности зерен свыше 18 % величина прочности их при измельчении возрастает. Это объясняется тем, что зерно с повышенной влажностью ведет себя как пластическое тело и, как полагают, доля пластических деформаций в общей сумме упругих и пластических деформаций, испытываемых зерном до разрушения, возрастает, что затрудняет измельчение. Следовательно, понижение твердости тел не всегда приводит к облегчению их разрушения.
Процесс деформации и измельчения твердых тел сопровождается затратой энергии, которая расходуется на об-
разование упругих и пластических деформаций и преодоление сил молекулярного сцепления, после чего тело разрушается с образованием частиц с большой суммарной поверхностью. Как при упругой, так и при пластической деформации происходит частичное преобразование механической энергии в тепловую, в результате чего повышается температура деформируемого тела и машины.
Приготовление заторной массы можно отнести к процессам экстрагирования. Сущность процесса затирания — перевод нерастворенных веществ солода и добавленных к нему несоложеных зернопродуктов в растворимое состояние посредством ферментативного гидролиза.
Средствами регулирования ферментативных процессов при затирании служат температура, рН среды и инактивация ферментов кипячением частей затора.
Скорость ферментативных реакций возрастает с увеличением температуры и достигает максимума при оптимальной температуре. При дальнейшем повышении температуры скорость реакции в результате инактивации ферментов быстро падает почти до нуля. Оптимальная температура непостоянна и колеблется в зависимости от продолжительности реакции. Например, осахаривание крахмала катализируется амилазами, при кратковременном воздействии (5 мин) наиболее интенсивно при температурах около 75 °С, а при долговременном воздействии (2 ч) лучший результат был получен при температуре около 60 °С.
Расщепление крахмала при осахари-вании зависит от температуры и качественно, и количественно. Это вызвано тем, что декстринирующая а-амилаза при высоких температурах осахарива-ния более стойка, чем осахаривающая Р-амилаза. В производственных заторах а-амилаза имеет температурный оптимум около 70 °С, а Р-амилаза от 60 до 65 °С. Следовательно, на практике с помощью выдержек при различных температурах можно до определенной степени изменять соотношение сбраживаемых сахаров и несбраживаемых декстринов в охмеленном сусле.
Ошибкой является осахаривание заторов при высоких температурах осахаривания (около 75 °С). Хотя в результате того, что заторы осахари-ваются быстро и это дает экономию во времени, охмеленное сусло содержит много декстринов и имеет низкую конечную степень сбраживания, в пиве образуется мало спирта, вкус его пустой и в целом менее приятный.
Согласно существующему мнению расщепление белков происходит при
температуре от 40 до 70 °С. Оно не ограничено температурой пептони-зации 45...55 °С. Таким образом, оба процесса протекают не только последовательно, но и одновременно. Было доказано, что при выдержке при 70 °С выравнивается соотношение фракций азотистых веществ.
При классическом способе затирания активность пептидаз солода отражается на заторе и отдельных его частях. Максимальную активность имеют пептидазы в осахаренной первой отварке перед кипячением. Это объясняют освобождением связанных пептидаз при температуре 61.63 °С и, наоборот, неблагоприятными условиями для протеолиза.
При низких температурах результат ферментативных реакций обычно зависит от концентрации фермента, субстрата и образующихся продуктов распада. При высоких температурах ферменты в более жидких заторах сильнее инактивируются, чем в заторах более густых, более концентрированных.
Концентрация затора оказывает определенное влияние на количество и качество экстракта, образующегося под действием амилаз. Содержание суммарного и сбраживаемого экстракта повышается при разбавлении затора. Доля сбраживаемого экстракта в общем экстракте зависит от концентрации затора. Экстракт из более густых заторов содержит больше мальтозы, чем экстракт из заторов более жидких. Это, вероятно, связано с повышенной стойкостью амилазы в более густых заторах, в которых она действует дольше, чем в более жидких заторах.
Активность пептидаз в отличие от амилаз снижается с разбавлением затора. В густых заторах в раствор переходит несколько больше стойко растворимого азота, чем в жидких заторах формального азота, охмеленное сусло из густых заторов содержит также больше в жидких.
Концентрированные (по сухим веществам) заторы осахариваются хуже, чем менее концентрированные, содержание экстракта в сусле (%): 14; 18; 22; 26; продолжительность осахаривания (мин): 5; 5; 10; 15.
При затирании рН постепенно снижается. Сдвиг в более кислую область зависит от температурного режима, количества отварок и интенсивности их кипячения. Нормальный рН затора колеблется от 5,7 до 5,8, первое сусло обычно имеет рН 5,5 до 5,7. Общее снижение рН при затирании неодинаковое и зависит главным образом от системы буферов. В результате повышенной диссоциации электролитов
в заторах при высоких температурах концентрация водородных ионов (Н+) повышается, а поэтому их рН ниже; при температуре 50 °С рН в среднем на 0,2, а при 70 °С на 0,3 ниже, чем при обычной температуре.
Процесс экстрагирования основан на свойствах веществ, обладающих разными концентрациями, при соприкосновении взаимно диффундировать, т.е. проникать друг в друга.
Благодаря диффузии при соприкосновении растворителя с обрабатываемой смесью растворитель, как фаза с более низкой концентрацией, чем обрабатываемая смесь, насыщается тем компонентом, который растворим в данном растворителе.
После получения заторной массы необходимо отделить дробину от пивного сусла. Для этого применяют фильтрование. Фильтрование затора — процесс, при котором дробина играет роль фильтрующего материала. Фильтрование затора проходит в две отдельные фазы, следующие друг за другом, а именно: сбор первого сусла; выщелачивание дробины путем вымывания задержанных в ней экстрактивных веществ.
При фильтровании пивное сусло должно преодолеть гидравлическое сопротивление, оказываемое фильтрационным ситом току жидкости. Однако величина отверстий в фильтрационном сите и его сопротивление имеют значение только в начальный момент процесса, так как на поверхности сита постепенно формируется дробина.
Такой увеличивающийся по мере протекания процесса слой дробины обычно используют как фильтрующую среду, стремясь одновременно свести к минимуму его гидравлическое сопротивление. Это достигается путем периодического перемешивания разрыхлительным механизмом и промыванием дробины горячей водой.
Характер и толщина слоя дробины, находящейся на поверхности фильтрационного сита, в большинстве случаев являются одним из важнейших факторов, определяющих эффективность фильтрования: производительность фильтр-чана и расход энергии на проталкивание жидкости через фильтр. В начале процесса фильтрования фильтрационное сито обладает низкой задерживающей способностью, и при фильтровании заторной массы с тонким помолом первые порции фильтрата почти всегда содержат некоторое количество суспендированных частиц, прошедших через фильтрационное сито вместе с жидкостью.
Такое явление будет наблюдаться до тех пор, пока на поверхности сита не образуется слой дробины, имею-
2006
33
щий поры значительно меньших размеров, чем поры сита. Этот слой и будет задерживать почти полностью все твердые частицы.
Осветление и охлаждение пивного сусла можно отнести к процессам отстаивания и осаждения.
Под неоднородной системой понимают систему, состоящую из двух или нескольких фаз, каждая из которых имеет свою поверхность раздела и может быть механически отделена от другой фазы.
Любая неоднородная бинарная система состоит из внутренней (дисперсной) фазы и внешней фазы или дисперсионной среды, в которой находятся частицы дисперсной фазы. Пивное сусло можно отнести к суспензиям, так как оно состоит из жидкости и находящихся в ней твердых частиц.
Отстаивание применяют для разделения суспензий, и сущность его заключается в том, что неоднородная система, находящаяся в аппарате в состоянии покоя или движущаяся в ней с малой скоростью, разделяется на составные части под действием силы тяжести. Ее большая скорость осаждения частиц при отстаивании не обеспечивает выделения из смеси тонкодисперсных частиц, и поэтому отстаивание, как правило, применяют для грубого разделения неоднородных систем.
Пищевые дисперсные системы обладают широким разнообразием структурно-механических свойств. Это вязкость, упругость, пластичность и т.д. Поэтому пищевые массы можно рассматривать как определенный класс физически обоснованных реологических моделей, наиболее типичные из которых — среды ньютоновская, вязкопластичная, вязкоупругопла-стичная, неньютоновская «степенная» и др.
В последние годы в пищевой промышленности проведены обширные исследования структурно-механических свойств различных пищевых масс. Это связано с тем, что изучение структурно-механических свойств (вязкости, предельного напряжения сдвига, модулей упругости и эластичности и др.) необходимо для расчета основных технологических параметров оборудования, нагрузок, возникающих в элементах конструкций пищевых машин, контроля протекания технологических процессов и оценки качества продуктов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мачихин Ю.А., Берман Т.К., Клаповский Ю.В. Формование пищевых масс. — М
.: Колос, 1992.
2. Кунце В. Технология солода и пива. — СПб: Профессия, 2001. &
VI Конференция Союза российских производителей пивобезалкогольной продукции
17 марта 2006 г. в Москве состоится VI Всероссийская конференция Союза производителей пивобезалкогольной продукции. Откроет конференцию общее собрание членов Союза российских пивоваров, в процессе которого его участники подведут итоги деятельности органов управления организации в 2005 г., рассмотрят план работы на 2006 г. и изменения в Уставе.
В рамках работы конференции: III торжественная церемония награждения лучших предприятий и специалистов отрасли. В процессе церемонии будут названы лауреаты высшей общесоюзной награды «За развитие пивобезалкогольной отрасли России «Янтарная звезда», ордена «За заслуги в развитии пивоваренной отрасли», медали «Лучший специалист пивоваренной отрасли» по итогам работы в 2005 г.
Данные награды присуждаются предприятиям, отличившимся в предыдущем году, ведущим руководителям и передовым специалистам отрасли за заслуги в производственной, научной и инновационной деятельности, возрождении культурных традиций в области пивоварения, выпуске качественной и безопасной продукции, сохранении здоровья и благополучия общества, в благотворительной деятельности, по охране окружающей среды и экологической деятельности, а также за иные выдающиеся заслуги в области развития пивобезалкогольной отрасли России.
В церемонии награждения примут участие представители федеральных органов государственной власти, профессионального сообщества, смежных и профильных организаций.
С наиболее полной информацией можно ознакомиться на сайте Союза www.beerunion.ru или по тел.: (495) 245-50-01, 245-71-54, 246-05-67.
7-й ВСЕРОССИЙСКИЙ КОНКУРС НА ЛУЧШУЮ ПЭТ-БУТЫЛКУ
Ассоциация производителей ПЭТ-тары «ПРОДВИЖЕНИЕ» Группа компаний производителей оборудования для выдува ПЭТ-бутылок, объединенных под торговой маркой «ПРОДВИЖЕНИЕ» Информационная поддержка:
Журнал «Напитки», ООО «Пищевая промышленность», журнал «Пиво и Напитки», компания «ПЭТ-Информ бюро»
Генеральный информационный спонсор
Специализированный журнал «Индустрия напитков»
Цели конкурса:
Содействие развитию и улучшению качества производства пластиковых бутылок в России. Участие в конкурсе также предполагает:
• рекламу и продвижение на рынках сбыта воды, масла и другой жидкой продукции, упакованной в ПЭТ-тару, путем вытеснения с рынка товаров в безликой и невыразительной упаковке;
• привлечение новых производителей к использованию лучшей упаковки для жидких продуктов путем стимулирования внедрения современных технологий
Конкурс обеспечит доступ реальных производителей продуктов к участию в национальном конкурсе на лучшую упаковку «УПАКОВКА — ЗВЕЗДА РОССИИ». Условия конкурса и оформление заявки
В конкурсе могут участвовать российские предприятия и фирмы, производящие или использующие ПЭТ- бутылки, а также зарубежные фирмы, выпускающие ПЭТ- тару на оборудовании российского производства.
Все поданные на конкурс ПЭТ-бутылки должны быть в коммерческом производстве и использовании к моменту подачи заявки (опытные образцы, прототипы и макеты на конкурс не принимаются).
Заявки принимаются до 15 апреля 2006г.
Заявки на участие в конкурсе можно направлять в адрес ООО «ПРОДВИЖЕНИЕ»: 117420, Москва, ул. Профсоюзная, 57, оф.809 Тел. (495) 785-07-89, факс (495) 785-07-88
Организатор Спонсоры:
