CC BY
72
УдК 663.993.42
Высокотемпературная обработка солода
в установке с интенсивным шнековым перемешиванием
В. Я. Груданов, д-р техн. наук, профессор; А. А. Бренч, канд. техн. наук, доцент;
Л. Т. Ткачева, канд. техн. наук, доцент; М. В. Бренч, ассистент Белорусский государственный аграрный технический университет (г. Минск)
Ключевые слова: карамельный солод; обжарочный барабан; перемешивание; физико-химические показатели; температура; время обжарки. Keywords: caramel malt; roasting drum; stirring; physicochemical data; temperature; roasting period.
Солод — пророщенное зерно злаковых культур (ячменя, ржи, риса, пшеницы) в специально созданных и регулируемых условиях. После высушивания свежепроросшего солода при температуре 40...85 °С получается ферментативно-активный светлый солод, при более высоких температурах высушивания (105 °С) образуется ферментативно-неактивный темный солод. По органолептическим показателям пивоваренный солод имеет свежий огуречный запах, цвет от светло-желтого до желтого и сладковатый вкус. Светлый солод высокого качества содержит не более 4,5% влаги с продолжительностью осахарива-
ния 15 мин и экстрактивность 79% на сухие вещества. Темный карамельный (жженый) солод содержит не более 6% влаги с экстрактивностью 70% на сухие вещества. Ржаной солод содержит не более 8% влаги с продолжительностью осахаривания 25 мин и экстрактивностью 80% на сухие вещества. Кроме светлого и темного солодов в пивоваренном производстве находят применение специальные ячменные солоды для интенсификации технологических процессов пивного сусла, брожения и дображивания или для улучшения цвета, вкуса и аромата пивного сусла и готового сусла (карамельный, жженый солоды).
Карамельный солод — это сильно окрашенный ароматический продукт, получаемый из свежепроросшего светлого солода путем осахаривания и обжаривания. Его готовят по следующей схеме: свежепроросший светлый солод многократным орошением водой увлажняют до 50-60% и загружают в обжарочный барабан на 2/3 его вместимости. При частоте вращения барабана 30 мин-1 солод нагревают до 70 °С, выдерживают 40-50 мин, затем нагревают до 120.170 °С, давая возможность солоду в это время высохнуть, и обжаривают до получения нужного цвета в течение 2,5-4,0 ч. Для светлого карамельного солода температура обжаривания должна быть равной 110.120 °С, для солода средней цветности — 130.150 °С, для темного солода — 150.170 °С [1, 2, 3].
Цель настоящих исследований — разработка конструкции обжароч-ного аппарата для приготовления карамельного солода.
Изучая состояние вопроса по данной теме, было установлено, что на пивоваренных предприятиях Республики Беларусь такие установки практически отсутствуют, а сама пивоваренная промышленность использует темные сорта солода, закупаемые за рубежом. Таким образом, возникает необходимость в разработке и внедрении установок, которые позволяют производить качественный карамельный солод самостоятельно.
Разработка конструкции обжа-рочного барабана с внутренним и внешним шнеками. Проанализи-
ПИ
НАПИТКИ
6^2010
24
ровав существующие конструкции об-жарочных барабанов, их недостатки и преимущества, были разработаны новые технические решения в конструировании оборудования данного вида техники [4, 5].
На рис. 1 представлена принципиально-конструктивная схема об-жарочного аппарата.
Обжарочный аппарат содержит корпус 1, помещенный в корпус 1 об-жарочный барабан 2, с винтовыми направляющими 4 на внутренней поверхности. Внутри обжарочного барабана 2 проходит вал 12, выполненный в виде шнека с витками 3, направленными противоположно винтовым направляющим 4, при этом площадь нормального сечения канавки шнека равна площади нормального сечения канавки направляющих. Количество канавок шнека определяется по формуле
ПБ^
(1)
где п..
■ число канавок шнека; пБ
число канавок направляющих обжарочного барабана; vБ — поступательная скорость продукта по виткам направляющих обжарочного барабана, м/с; vШ — поступательная скорость продукта по виткам шнека, м/с.
Вал 12 имеет устройство для отбора проб 5. Вал 12 и закрепленный на валу обжарочный барабан 2 помещены на каркас 6. Обжарочный барабан 2 обогревается ТЭНами 7. Вращение обжарочному барабану 2 и проходящему внутри него валу 12 передается от реверсивного мотор-редуктора через цепную передачу 9. Изоляция 10 нужна для сокращения потерь тепла в окружающую среду. Сплошной виток 11 предназначен для предотвращения высыпания продукта 8 из рабочей зоны обжарочного барабана 2 при загрузке продукта выше канавки винтовых направляющих 4.
Выполнение вала в виде шнека, а направляющих — в виде винтовой линии с противоположным шнеку направлением с равенством площади нормального сечения канавки шнека и площади нормального сечения канавки направляющих позволяет уравнять производительности шнека QШ и винтовых направляющих QБ, так как производительность шнека определяется по формуле
^ = FvФP,
(2)
где И — площадь нормального сечения канавки шнека, м2; V — скорость
продвижения продукта вдоль канавки винтовой линии, м/с; Ф — коэффициент заполнения площади И продуктом; р — плотность продукта в насыпном виде, кг/м3.
Равенство производительностей шнека QШ и винтовых направляющих QБ обеспечивает равномерное перемешивание и перемещение обжариваемого продукта вдоль оси вращения обжарочного барабана, что позволяет обеспечить одинаковое сопротивление по ходу движения обжариваемого продукта, дает возможность стабилизировать движение продукта, устранить нежелательное дополнительное его уплотнение и сжатие и, как следствие, повысить качество обжаривания.
Обжарочный аппарат работает следующим образом. Загрузка продукта осуществляется через трубопровод с заслонкой до 2/3 рабочего объема об-жарочного барабана 2. Затем продукт поступает в зону винтовых направляющих 4 обжарочного барабана 2 и при вращении поступает в зону обжаривания, где встречно направленными витками 3, выполненными на валу 12, происходит его активное перемешивание и перемещение вдоль оси вращения обжарочного барабана 2.
Таким образом, выполнение вала в виде шнека, направляющих на внутренней поверхности обжарочного барабана в виде винтовой линии с противоположным шнеку направлением витков с площадью нормального сечения канавки шнека, равной площади нормального сечения канавки направляющих, позволяет обеспечить равномерное перемешивание и перемещение обжариваемого продукта вдоль оси вращения обжароч-ного барабана. Это, в свою очередь, позволяет достичь технического результата — обеспечить одинаковое сопротивление по ходу движения обжариваемого продукта, дает возможность стабилизировать движение продукта, устранить нежелательное дополнительное его уплотнение и сжатие и, как следствие, повысить качество обжаривания.
Обжарочный барабан с контролируемым объемом продукта.
Наиболее целесообразное техническое решение для повышения эффективности определения объема продукта, загружаемого в обжарочный барабан, — обжарочный барабан с направляющей на внутренней поверхности, выполненный из набора
витков, один из которых загрузочный (загрузочный виток выполнен сплошным).
Загрузочный виток выполнен с вырезом, при этом площадь его сплошного сектора определяется по формуле
^ = ^ 2 - ПГ2
■ 1(т—> - ап (3)
где 5С — площадь сплошного сектора загрузочного витка, м2; R — радиус обжарочного барабана, м; Г — радиус вала, проходящего внутри обжарочно-го барабана, м; р — угол, содержащий дугу кругового сегмента, град.
Определяя площадь сплошного сектора загрузочного витка по формуле (3), можно точно установить объем продукта, загружаемого в обжарочный барабан, так как загрузка продукта в обжарочный барабан осуществляется только сплошным сектором загрузочного витка в процессе вращения барабана, что, в свою очередь, позволяет достичь технического результата — избавиться от весоизмерительного оборудования, а значит, сократить материальные затраты.
На рис. 2 представлена принципиально-конструктивная схема обжа-рочного барабана, на рис. 3 — загрузочный виток, на рис. 4 схематично показан разрез обжарочного барабана.
Обжарочный барабан содержит цилиндрический корпус 1 с направляющей на внутренней поверхности 2, выполненной из набора витков, один из которых — 3 служит загрузочным для загрузки продукта 4 в процессе вращения барабана, при этом площадь сплошного сектора загрузочного витка 7 определяется по формуле (3). Загрузочный виток 7 приварен к втулке 5, которая, в свою очередь, приварена к опоре 6, предназначенной для закрепления вала, проходящего внутри обжарочного барабана. С торца цилиндрический корпус 1 оборудован стенкой 3.
Определение площади сплошного сектора загрузочного витка по формуле позволяет точно установить объем продукта, загружаемого в обжарочный барабан, так как загрузка продукта в обжарочный барабан осуществляется только сплошным сектором загрузочного витка в процессе вращения барабана, что, в свою очередь, позволяет достичь технического результата — избавиться от весоизмерительного оборудования, а значит, сократить материальные затраты.
6^2010
Ш
25
Р
Рис. 4. Разрез обжарочного барабана
Результаты экспериментальных исследований. Для проведения экспериментальных исследований разработана и изготовлена лабораторная экспериментальная установка для
приготовления карамельного солода (рис. 5). С помощью контрольно-измерительных приборов, смонтированных на экспериментальной установке, можно определять удельную
энергоемкость и технологические параметры солода в процессе обжарки.
Лабораторная установка работает следующим образом. Загрузка солода производится через трубопровод с заслонкой до 2/3 рабочего объема обжарочного барабана. Затем солод поступает в зону винтовых направляющих обжарочного барабана и при вращении поступает в зону обжаривания, где встречно направленными витками, выполненными на валу, происходит его активное перемешивание и перемещение вдоль оси вращения обжарочного барабана. Выгрузка солода осуществляется при вращении барабана в сторону, противоположную вращению загрузки.
Определение оптимальных параметров производства карамельного солода. Для образования ароматических и красящих веществ солод подвергается сушке нагретым воздухом. При этом нужно придать солоду вкус, который соответствует вкусу изготовляемого из него пива. Вкус же сухого пивного солода обусловлен главным образом меланоидинами — окрашенными и ароматическими веществами, образующимися в результате взаимодействия сахаров и аминокислот при высоких температурах.
Ферментативный гидролиз сложных углеводов и белков протекает не только при проращивании зерна в солодовне, но и на первой стадии сушки, когда в солоде содержится еще доста-
Рис. 5. Лабораторная экспериментальная установка: 1 — корпус; 2 — барабан обжарочный; 3 — винтовые направляющие, 4 — вал; 5 — витки; 6 — устройство для отбора проб; 7 — каркас; 8 — ТЭНы; 9 — цепная передача; 10 — тепловая изоляция; 11 — сплошной виток; 12 — солод; 13 — однофазный переключатель; 14 — электродвигатель; 15 — латр; 16 — весы циферблатные; 17 — секундомер; 18 — милливольтметр; 19 — пакетный переключатель; 20 — тахометр; 21 — вольтметр; 22 — амперметр; 23 — ваттметр; 24 — парогенератор; 25 — блок контактов; 26 — термопара
6^2010
26
точное количество влаги. При этом ферментативная активность проявляется значительно сильнее, чем при солодоращении, потому что здесь ферменты находятся ближе к своему температурному оптимуму, который для большинства ферментов находится между 37 и 70 °С. Поэтому при нагревании еще влажного солода образуется много продуктов ферментативного гидролиза. В зависимости от способа нагревания и максимальной температуры сушки получают различные типы солода.
Для придания пиву окраски и определенного вкуса приготавливают специальные сорта солода. К таким сортам относится карамельный солод. Он перерабатывается вместе с обычным солодом, так как не содержит ферментов (или содержит их в незначительном количестве) и поэтому при отдельном затирании не осахарива-ется. Карамельный солод в основном применяется для производств темного пива. Его использование придает пиву характерный карамельные аромат и привкус и одновременно темный цвет, несколько повышается кислотность и снижается степень сбраживания.
Показатели качества карамельного солода регламентируются ГОСТ 29294-92 «Солод пивоваренный ячменный».
К основным параметрам, характеризующим качество карамельного солода, относятся: органолептиче-ские показатели, влажность готового продукта, массовая доля экстракта в сухом веществе солода, количество карамельных зерен, цвет (величина Линтиера-Ли).
При выработке карамельного солода на качество готового продукта влияют температура, продолжительность обжарки и качество его перемешивания.
Один из факторов, оказывающих значительное влияние на качественные характеристики карамельного солода, — эффективность перемешивания солода в барабане. Данные, характеризующие эффективность перемешивания, в барабане предложенной конструкции представлены в табл. 1.
Как видно из данных, представленных в табл. 1, продукт достигает практически однородного перемешивания после 120 с вращения барабана, а так как тепловая обработка солода длится гораздо большее время, то считаем, что за время обжарки зерна солода равномерно перемешиваются.
Процесс обжарки солода складывается из двух этапов. Первый этап — выдерживание зерен ячменя в течении 30-45 мин и при температуре 60.75 °С. В это время происходит окончательное осахаривание солодового зерна. Признаком хорошего осахаривания служит разжиженное состояние эндосперма, который легко выжимается при раздавливании зерна. Во время второго этапа температура повышается до 170 °С. Зерно при такой температуре выдерживают до 2,0-2,5 ч в зависимости от требуемых показателей готового солода.
Один из факторов, определяющих качество получаемого карамельного солода, — частота вращения обжароч-ного барабана. Данные, полученные в
ходе эксперимента (продолжительность обжарки 2 ч, мощность ТЭНов 2 кВт), представлены в табл. 2.
Как видно из данных табл. 2, наиболее оптимальная частота вращения обжарочного барабана — 40 мин-1. При ее уменьшении увеличивается количество обгоревших зерен, которые значительно ухудшают внешний вид готового солода, а повышение ведет к увеличению затрат энергии.
Необходимо было установить оптимальную продолжительность первого этапа обжарки солода. В табл. 3 приведены результаты, полученные в ходе эксперимента (на втором этапе зерна выдерживали при температуре 170 °С в течение 2 ч).
Согласно данным, представленным в табл. 3, оптимальная продолжительность первого этапа — 35 мин. При увеличении времени обжарки возрастает количество бракованных зерен.
Один из самых энергоемких процессов по приготовлению карамельного солода — обжарка зерен (второй этап). Поэтому в работе считали необходимым установить оптимальную продолжительность обжарки ячменных зерен (табл. 4).
Как видно из приведенных результатов, оптимальная продолжитель-
Таблица 1
Время перемешивания, с Эффективность перемешивания, %
0 0
40 56,0
80 81,7
120 93,4
160 97,6
Таблица2
Показатель Частота вращения барабана, мин-1
10 20 30 40 50
1 Органолептические показатели 1
Внешний вид Однородная зерновая масса, не содержащая плесневелых зерен и зерновых вредителей
Цвет Бурый Бурый Буроватый От бурого до светло-желтого Светло-желтый
Запах Пригорелый Солодовый Солодовый Солодовый Солодовый
Вкус Сладковатый, встречаются пригорелые зерна Сладковатый Сладковатый Сладковатый Сладковатый
Вид зерна на срезе Спекшаяся коричневая масса. Отдельные Спекшаяся коричневая масса. Отдельные Спекшаяся Спекшаяся Спекшаяся
зерна представляют обуглившуюся массу зерна представляют обуглившуюся массу коричневая масса коричневая масса коричневая масса
Физико-химические показатели
Массовая доля влаги, %, не более 6,2 6,1 6,1 6,0 5,9
Массовая доля экстракта в сухом веществе солода, %, не менее 74,5 74,8 74,9 75,0 75,3
Количество карамельных зерен, %, не менее 25,0 35,4 62,1 93,0 94,0
Цвет (величина Линтиера-Ли), не менее 24,2 23,1 22,5 20,0 20,0
6 • 2010
ПИ
НАПИТКИ
27
ность обжарки — 2,5 ч. Снижение продолжительности обжарки ведет к неудовлетворительным органо-лептическим и физико-химическим показателям, а увеличение времени
обжарки приводит к возрастанию числа обгорелых зерен, что отрицательно сказывается на качестве готового пива (ухудшение цвета и аромата).
Кроме продолжительности обжарки на качество готового солода влияет температурный режим производства. Данные, характеризующие влияние температуры обжарки на первом эта-
Таблица 3
Показатель Продолжительность обжарки, мин
20 25 30 35 40
Органолептические показатели
Внешний вид Однородная зерновая масса, не содержащая плесневелых зерен и зерновых вредителей
Цвет Светло-желтый Светло-желтый Светло- желтый От бурого до светло-желтого Бурый
Запах Солодовый Солодовый Солодовый Солодовый Пригорелый
Вкус Сладковатый Сладковатый Сладковатый Сладковатый Сладковатый, встречаются пригорелые зерна
Вид зерна на срезе Спекшаяся коричневая масса Спекшаяся коричневая масса Спекшаяся коричневая масса Спекшаяся коричневая масса Спекшаяся коричневая масса
Физико-химические показатели
Массовая доля влаги, %, не более 6,1 6,0 6,0 6,0 6,0
Массовая доля экстракта в сухом веществе солода, %, не менее 74,5 74,8 74,9 75,0 75,1
Количество карамельных зерен, %, не менее 88,0 89,2 92,0 93,0 93,0
Цвет (величина Линтиера-Ли), не менее 19,5 19,8 20,0 20,0 20,0
Таблица 4
Показатель Продолжительность обжарки, ч
1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
Органолептические показатели
Внешний вид Однородная зерновая масса, не содержащая плесневелых зерен и зерновых вредителей
Цвет Светло-желтый Светло-желтый Светло-желтый От бурого до светло-желтого Бурый
Запах Солодовый Солодовый Солодовый Солодовый Пригорелый
Вкус Сладковатый Сладковатый Сладковатый Сладковатый Сладковатый, встречаются пригорелые зерна
Вид зерна на срезе Спекшаяся Спекшаяся Спекшаяся Спекшаяся Спекшаяся
коричневая масса коричневая масса коричневая масса коричневая масса коричневая масса
Физико-химические показатели
Массовая доля влаги, %, не более 6,05 6,05 6,05 6,0 6,0
Массовая доля экстракта в сухом веществе солода, %, не менее 74,7 74,9 75,0 75,0 75,1
Количество карамельных зерен, %, не менее 88,2 89,1 91,5 93,0 93,1
Цвет (величина Линтиера-Ли), не менее 19,7 19,9 20,0 20,0 20,0
Таблица 5
Показатель Температура, °С
55 60 65 70 75
1 Органолептические показатели 1
Внешний вид Однородная зерновая масса, не содержащая плесневелых зерен и зерновых вредителей
Цвет Светло-желтый Светло-желтый Светло-желтый От бурого до светло-желтого Бурый
Запах Солодовый Солодовый Солодовый Солодовый Пригорелый
Вкус Сладковатый Сладковатый Сладковатый Сладковатый Сладковатый, встречаются пригорелые зерна
Вид зерна на срезе Спекшаяся коричневая масса Спекшаяся коричневая масса Спекшаяся коричневая масса Спекшаяся коричневая масса Спекшаяся коричневая масса
Физико-химические показатели
Массовая доля влаги, %, не более 6,2 6,15 6,05 6,0 6,0
Массовая доля экстракта в сухом веществе солода, %, не менее 74,5 74,8 75,0 75,0 75,1
Количество карамельных зерен, %, не менее 85,1 88,4 92,5 93,0 93,1
Цвет (величина Линтиера-Ли), не менее 18,7 19,4 19,8 20,0 20,0
6 • 2010
28
Таблица 6
Показатель Температура, °С
130 140 150 160 170
Органолептические показатели 1
Внешний вид Однородная зерновая масса, не содержащая плесневелых зерен и зерновых вредителей
Цвет Светло-желтый Светло-желтый Светло-желтый От бурого до светло-желтого Бурый
Запах Солодовый Солодовый Солодовый Солодовый Пригорелый
Вкус Сладковатый Сладковатый Сладковатый Сладковатый Сладковатый, встречаются пригорелые зерна
Вид зерна на срезе Спекшаяся коричневая масса Спекшаяся коричневая масса Спекшаяся коричневая масса Спекшаяся коричневая масса Спекшаяся коричневая масса
Физико-химические показатели
Массовая доля влаги, %, не более 6,8 6,5 6,2 6,0 5,9
Массовая доля экстракта в сухом веществе солода, %, не менее 68,5 71,2 73,2 74,9 75,0
Количество карамельных зерен, %, не менее 78,1 81,4 89,5 93,0 93,0
Цвет (величина Линтиера-Ли), не менее 17,5 18,4 19,1 20,0 20,0
Таблица 7
Показатель Характеристики солода Соответствие ГОСТ 29294-92
1 Органолептические показатели 1
Внешний вид Однородная зерновая масса, не содержащая плесневелых зерен и зерновых вредителей Соответствует
Цвет Буроватый с глянцевым отливом
Запах Солодовый
Вкус Сладковатый
Вид зерна на срезе Спекшаяся коричневая масса
Физико-химические показатели
Массовая доля влаги, % 4,5
Массовая доля экстракта в сухом веществе солода, % 72,0
Количество карамельных зерен, % 90,0
Цвет (величина Линтиера-Ли) 22,0
пе на качество карамельного солода, представлены в табл. 5 (продолжительность обжарки 30 мин). Параметры второго этапа: продолжительность обжарки 2,5 ч, температура 170 °С. Из данных таблиц видно, что наиболее оптимальная температура первого этапа 70 °С.
Наиболее энергоемкая фаза процесса обжарки солода — второй этап, поэтому определение оптимальной температуры обжарки во время данного этапа — крайне важная задача. В результате исследований было установлено, что оптимальная температура обжарки 160 °С (табл. 6).
Авторами статьи совместно с представителями ОАО «Холдинг» Моги-левоблпщепром» были проведены испытания лабораторной экспериментальной установки для приготовления карамельного солода.
Образцы солода, приготовленного на экспериментальной установке, исследовали в производственной лаборатории ОАО «Холдинг» Могилевоблпи-
щепром», при этом получены результаты, представленные в табл. 7.
На основании полученных экспериментальных данных установлено, что образцы солода по органолептическим и физико-химическим показателям соответствуют требованиям ГОСТ 29294-92 «Солод пивоваренный ячменный», предъявляемым к качеству карамельного солода 2-го класса, и полученный карамельный солод может быть использован для производства темных сортов пива, а разработанная установка рекомендуется для изготовления промышленного образца и дальнейшего внедрения.
Таким образом, на основе анализа литературных данных в области конструирования аппаратов для тепловой обработки солода предложено новое направление в конструировании об-жарочных барабанов. Разработана и изготовлена лабораторная установка для проведения экспериментальных исследований. Исследованы основные технологические параметры солода,
изменяющиеся в процессе тепловой обработки и характеризующие его качество. На основании полученных экспериментальных данных установлено, что образцы солода по органо-лептическим и физико-химическим показателям соответствуют требованиям, предъявляемым к качеству карамельного солода, а полученный на экспериментальной установке карамельный солод может быть использован для производства темных сортов пива.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кретов, Ж Т. Технологическое оборудование предприятий бродильной промышленности: учеб./И. Т. Кретов, С. Т. Антипов. — Воронеж: Изд-во гос. университета, 1997.
2. Антипов, С. Т. Машины и аппараты пищевых производств: учеб. для вузов. Кн. 2. Т. 1/ под ред. В. А. Панфилова и В. Я. Грудано-ва/С. Т. Антипов [и др.] — Минск: БГАТУ, 2008.
3. Тихомиров, В. Г. Технология пивоваренного и безалкогольного производств/В. Г. Тихомиров [и др.] — М.: Колос, 1998.
4. Патент № 8941 Республика Беларусь, МПК7, А23 N12/10/Обжарочный барабан/В. Я. Груданов, Д. Н. Иванов, А. М. Раб-чинский; заявитель Могилевский государственный университет продовольствия. — Заяв. 20.10.2004, опубл. 30.06.2005 // Афщшны бюл./Нац. Центр штэл. уласн. — 2005, № 3.
5. Патент № 9008 Республика Беларусь, МПК7, А23 F5/04, С12 С1/18/Обжароч-ный барабан/В. Я. Груданов, Д. Н. Иванов, А. М. Рабчинский; заявитель Могилевский государственный университет продовольствия. — Заяв. 02.12.2004, опубл. 30.09.2005 // Афщшны бюл./Нац. Центр штэл. уласн. — 2005, № 4. &
6 • 2010
29
