CC BY
147
ТЕХНОЛОГИЯ
УдК 663.443
Зависимость
экстрактивности и содержания редуцирующих веществ сусла
от параметров затирания и состава засыпи
Б. А. Алябьев,
аспирант; М. Ф. Ростовская,
канд. хим. наук, доцент; Ю. В. Приходько,
д-р техн. наук, профессор Дальневосточный федеральный университет
Затирание солода — важный технологический этап приготовления пивного сусла. Один из основных параметров солода и сусла — экстрактивность (стандартная экстрактивность для охмеленного сусла составляет 12 % [1]), а эффективность пивоваренного цеха рассчитывается по выходу экстракта 74-79 % [2]. Экстрактом называется сумма растворенных веществ, перешедших из солода в раствор, основа перешедшего в раствор экстракта — крахмал. Крахмал составляет 58,9% от всех сухих веществ (СВ) ячменного солода и 85,8 % СВ сусла [3]. В процессе солодоращения и затирания происходит гидролиз крахмала. Под действием ферментов амилоза и амилопектин распадаются на более короткие фрагменты: декстрины, олигосахариды, ди- и моносахариды. Дрожжи не могут перерабатывать крахмал и усваивают только моносахариды: глюкозу, фруктозу, а также сахара, которые под действием ферментов дрожжей, могут быть трансформированы в моносахариды: сахароза, мальтоза, маль-тотриоза [1].
Расщепление крахмала при затирании происходит в три этапа:
• набухание зерен крахмала;
• клейстеризация крахмала;
• ферментативное расщепление.
Главный фактор, влияющий на
клейстеризацию крахмала, температура, различающаяся для разных
злаков. Температура клейстериза-ции крахмала ячменя составляет 60...65 °С, пшеницы 52...64 °С [3]. При этом температуры клейсте-ризации крахмала зерна и солода одной культуры различаются: для крахмала ячменя 60...65 °С, а ячменного солода 64...67 °С [3].
После разжижения крахмала происходит его ферментативное расщепление, которое зависит от температуры, времени, рН, количества и состава ферментов [4, 5]. Количество ферментов в зерне и солоде ячменя и пшеницы представлены в табл. 1.
В процессе затирания участвует множество групп ферментов. Главным ферментативным процессом служит амилолиз — процесс расщепления крахмала, в котором задействована группа амилоли-тических ферментов: а-амилаза, Р-амилаза, предельная декстри-наза, а-глюкозидаза. Совокупная ферментативная активность всех амилолитических ферментов солода называется диастатической силой (см. табл. 1). Получение солода из зерна, накопление ферментов, перевод твердых частиц солода в растворенное состояние — эти длительные процессы проводятся с целью полного расщепления крахмала в процессе затирания. На параметры получаемого сусла влияет множество факторов: режим затирания, степень помола, качество солода, минеральный со-
40 ПИВО и НАПИТКИ 2016
став воды, окисление кислородом. Для конкретного солода необходимо правильно подобрать режим затирания: температуру, время, рН, концентрацию затора [2].
Лагеры и эли представлены большим количеством сортов пива. В связи с оригинальным вкусом и ароматом пшеничное пиво пользуется большой популярностью на протяжении длительного времени. В составе пшеничного пива используется два типа солода — пшеничный и ячменный, а для классических лагеров — только ячменный солод.
Цель данного исследования — изучить влияние состава засыпи и режима затирания на экстрактив-ность сусла и количество редуцирующих веществ в нем.
Для исследования использовали светлые ячменный и пшеничный солода. Характеристики солода приведены в табл. 2.
Для приготовления сусла использовали ячменный и пшеничный солод, а также смесь ячменного и пшеничного в процентном соотношении 40 : 60%. Затирание проводили при следующих условиях: 40 °С — цитолитическая пауза для сусла, в засыпи которого присутствовал пшеничный солод, 52 °С — белковая пауза, 62 °С — мальтозная пауза, 72 °С — пауза осахаривания; рН затора 5,9. Длительность пауз варьировали от 15 до 60 мин, нагрев осуществляли со скоростью 1 °С/мин. Отварку производили по следующей схеме: 40 °С — 30 мин, нагрев 1 °С/ мин до 52 °С, пауза 52 °С — 30 мин, нагрев до 62 °С, пауза 62 °С — 30 мин, отбор жидкой части (40 %) в фильтр, густую часть (60 %) нагревали до 72 °С, пауза 72 °С — 30 мин, нагрев до 100 °С (со скоростью 2 °С/мин), пауза при 100 °С — 5 мин и соединяли две части. Экстрактивность сусла измеряли ареометром-сахаромером АСТ-1, плотность сусла — ареометром АОН-1; массовую долю редуцирующих веществ (в пересчете на мальтозу) — йодометрическим методом Вильштеттера-Шудля [9].
Экстрактивность ячменного солода составляет 78-80%, в то время как для пшеничного характерна более высокая экстрактивность 80-87 % [1, 2]. По данным других авторов экстрактивность ячменно-
Технология
Таблица 1
Тип сырья Диастатическая сила, ^ а-амилаза, ед./г р-амилаза, ед./г Предельная декстриназа, ед./г
Зерно ячменя [6] — 0,62 350 —
Зерно пшеницы [6] — 0,42 454 —
Ячменный солод 220-290 [1]; 318 [7] 30-60 [1]; 138 [7] 728 [7] 0,268 [7]
Пшеничный солод 250-350 [1] 0,408 [8] 380,4 [8]
Таблица 2
Показатель Светлый ячменный солод Пшеничный солод
Влажность, % 4,41±0,09 4,43±0,05
Экстрактивность, % СВ 78,52±0,50 84,13±0,39
Содержание белка, % СВ 10,79±0,11 12,15±0,03
Содержание растворимого азота, мг/100г СВ 744±28 789±26
Число Кольбаха, % 43,0±1,2 40,6±1,1
Таблица 3
Экстрактивность сусла, %
Режим затирания, % и продукт Ячменный солод Ячменно-пшеничный солод (40/60) Пшеничный солод
15 мин 30 мин 60 мин 15 мин 30 мин 60 мин 15 мин 30 мин 60 мин
40/52/62/72 — — — 14,05 13,9 13,85 14,05 13,6 14
52/62/72 12,35 12,93 13,22 14,05 13,4 13,85 14,1 13,65 13,7
62/72 13,55 12,95 12,92 13,8 13,85 13,35 14 13,2 13,6
72 13,57 12,5 12,86 13,4 13,45 12,9 13,85 13 13,3
Отварка 0,5 дм3 14 14,1 —
Отварка 2500 дм3 — 12,4 —
го солода составляет более 81 %, а пшеничного более 83 % [10].
Данные по экстрактивности ячменного и пшеничного солода в зависимости от режима затирания и состава засыпи, полученные нами, приведены в табл. 3. Из табл. 3 следует, что экстрактив-ность пшеничного сусла в среднем (из 9 режимов затирания) больше ячменного на 0,62 %. При этом экстрактивность (в среднем из 9 режимов) с использованием смешанной засыпи солодов больше ячменного сусла на 0,58 % и меньше пшеничного на 0,16 %. Самая высокая экстрактивность сусла была получена с применением отварки. Лабораторная варка объемом 0,5 дм3 показала экстрактивность на 1,7 % (что составляет 12,1 % от выхода всего экстракта) выше, чем в промышленном производстве 2500 дм3.
При увеличении длительности некоторых пауз отмечается сни-
жение экстрактивности, что может быть связано с клейстеризацией крахмала. При 15-ти минутном затирании гранулы крахмала только набухают в результате присоединения молекул воды, но разжижения не происходит полностью (большая часть ферментов инактивиро-вана), в результате увеличивается плотность. Увеличение количества ферментативных пауз положительно сказывается на экстрактивно-сти и на количестве редуцирующих веществ (РВ) (табл. 4). Из табл. 3 видно, что для ячменной засыпи при затирании по 15 мин в режиме 52 °С/ 62 °С/ 72 °С экстрак-тивность меньше на 1,2 %, чем в режимах при 62 °С/72 °С и при 72 °С. Высокая экстрактивность при коротком времени и высокой температуре затирания может свидетельствовать, что крахмал солода не подвергся полной клейстери-зации. Неполная клейстеризация подтверждается низким уровнем
2016 ПИВО и НАПИТКИ 41
технология'
Таблица 4
Режим затирания, °C, и продукт
Экстрактивность сусла, % Ячменный солод ЯЧМ<е0ЛНООД-"4О/6иЭ)<ЫЙ Пшеничный солод
15 мин 30 мин 60 мин 15 мин 30 мин 60 мин 15 мин 30 мин 60 мин
Пшеничный солод
40/52/62/72 — — — 79,92 77,59 82,04 73,62 77,29 78,07
52/62/72 81,43 81,35 79,45 79,10 77,65 78,49 71,60 74,66 78,75
62/72 76,76 76,34 77,36 80,55 75,89 79,61 71,28 73,36 74,03
72 71,87 67,79 69,10 72,15 76,12 75,13 69,97 64,83 70,88
Отварка 0,5 дм3 81,4 85,04 —
Отварка 2500 дм3 — 81,6 —
редуцирующих сахаров 67-76 %. Ферменты, участвующие в расщеплении крахмала, понижают температуру клейстеризации [1]. Отсутствие протеолитической паузы, приводит к низкой концентрации ферментов. По некоторым данным, температура клейстериза-ции ячменного солода выше 62 °С и данный эффект не наблюдался для пшеничной засыпи, тогда как для пшеничного солода температура клейстеризации гораздо ниже и составляет 54 °С. На клейстериза-цию крахмала в большей степени влияет температура, чем время [11].
Крахмал пшеницы и ячменя имеет схожую структуру. Размер гранул крахмала зависит от типа А или В и размер может составлять 2-8 и 10-40 цт [12]. Размер гранул крахмала вносят коррективы в температуру клейстеризации и усложняет данный процесс. Для ячменя температура клейстери-зации больших гранул составляет 60...65 °С, а для небольших гранул — уже 75...80 °С. В свою очередь, не подвергшись клейсте-ризации гранулы крахмала не обусловят экстрактивность [3]. При затирании ячменного сусла стандартным настойным способом пик клейстеризации наблюдается через 45 мин [13]. Поэтому высокая экстрактивность отмечена только в коротких режимах затирания при 15 мин. Экстрактивность в 30 мин и 60 мин режимах укладывается в общую тенденцию.
Наблюдается снижение выхода экстракта и увеличение сбраживаемых сахаров при увеличении длительности амилолитических пауз. Отмечается больший выход экстракта и сбраживаемых сахаров при 60 °С по сравнению с 65,5 °С, а
состав сахаров после затирания в течение 0,5 ч при 60 °С практически такой же, как и в течение 2 ч при 65 °С [14].
Из табл. 4, в которой представлена зависимость РВ сусла от режима затирания и состава засыпи, видно, что для ячменного солода больше подходят короткие паузы, а для пшеничного солода — более длительные, до 1 ч. Максимальное количество РВ при затирании пшеничного солода оказалось меньше чем для ячменного. Стоит учесть, что экстрактивность пшеничного солода выше ячменного, так как доля крахмала в пшеничном солоде больше. В данном случае необходимо обратить внимание на особенности ферментативного расщепления в ходе затирания. Несмотря на то, что р-амилаза и работает при температуре 60...65 °С, но из-за своей термолабильности разрушается при 65 °С в течение 40-60 мин [3]. Во время затирания при 65,5 °С происходило угнетание а-амилазы на 50 % через 20-30 мин, а р-амилазы уже через 10 мин. При экстремально высоких температурах (80...90 °С) а-амилаза и р-амилаза сохраняли активность до 10 мин [15].
Исключение пауз из режима затирания приводит к нелинейному снижению экстрактивности и массовой доли РВ.
Еще один параметр, влияющий на экстрактивность и количество РВ сусла, концентрация затора (соотношение воды и солода). При нахождении гидромодуля в стандартном диапазоне (концентрация затора 33-42 %) не происходит сильного изменения состава сусла. Значительные колебания состава происходят при экстремально низких (концентрация затора
8-16 %) или высоких соотношениях (концентрация затора 50 %), но решающую роль в процессе затирания играет солод [16]. По данным работы [16] при использовании 5 разных солодов при температурах 62,7 °С и 65,5 °С не было выявлено четкой динамики.
В нашем исследовании отмечено, что высокую экстрактивность сусла и высокое количество редуцирующих сахаров можно получить не только при длительном затирании, но и при более коротких временных интервалах. При температуре выше 60 °С происходит усиленное образование коллоидных высокомолекулярных азотистых соединений, что может снижать экстрактивность сусла [1].
Таким образом, из полученных данных следует, что экстрактив-ность сусла нелинейно зависит от температуры и времени затирания. Количество РВ увеличивалось в зависимости от количества ферментативных пауз. Из-за разности экс-трактивности ячменного и пшеничного солодов (5,6 %), экстрактив-ность пшеничного сусла оказалась на 1 % выше. Но при этом количество РВ в сусле из пшеничного солода оказалось меньше (разница самых высоких показателей для ячменного и пшеничного сусла составила более 3 %).
ЛИТЕРАТУРА
1. Нарцисс, Л. Краткий курс пивоварения/Л. Нацисс; при участии В. Бака; пер. с нем. А. А. Куреленкова. — СПб.: Профессия, 2007 — 640 с.
2. Кунце, В. Технология солода и пива/ В. Кунце. — 3-е изд., перераб. и доп. — Пер. с нем. 9-го изд. — СПб.: Профессия, 2009. — 1064 с.
3. Briggs, D. E. Malt and Malting / Dennis E. Briggs. — London: Blackie Academic & Professional, an imprint of Thomson Science, 1998. — P. 796.
4. Bamforth, C. W. Food, fermentation and microorganisms/Charles. W. Bamforth. — Ames: Blackwell Science, 2005. — P. 216.
5. Briggs, D. E. Brewing: Science and practice/ Dennis E. Briggs, Chris A. Boulton, Peter A. Brookes and Roger Stevens. — Cambridge: Woodhead Publishing Limited and CRC Press LLC, 2004 — P. 958.
6. Brewing Handbook/ Rethink Tomorrow. — Bagsvaerd: Novozymes: Food & Beverages, version 1, 2013. — P. 124.
42 ПИВО и НАПИТКИ 2016
Технология
7. Evans, D. E. Improved Prediction of Malt Fermentability by Measurement of the Diastatic Power Enzymes p-Amylase, a-Amylase, and Limit Dextrinase: I. Survey of the Levels of Diastatic Power Enzymes in Commercial Malts // D. E. Evans, C. Li, J. K. Eglinton/Journal of the Institute of Brewing. — 2008. — Vol. 66 (4). — P. 223-232.
8. Miedl, M. Low-Temperature Processing of Wheat for Bioethanol Production: Part II. Exploitation of Endogenous Wheat Enzymes// M. Miedl, S. Cornfine, K. A. Leiper, M. Shepherd, G. G. Stewart / Journal of the Institute of Brewing. — 2007. — Vol. 265, № 4. — P. 192-196.
9. Смотраева, И. В. Технология продуктов из растительного сырья: Учеб.-метод. пособие. / И. В. Смотраева, П. Е. Ба-ланов — СПб.: НИУ ИТМО; ИХиБТ, 2014. — 78 с.
10. Faltermaier A. Protein Modifications and Metabolic Changes Taking Place During the Malting of Common Wheat (Triticum aestivum L.) // Faltermaier A., Waters D., Becker T., Arendt E., Gastl M. // Journal of the American Society of Brewing Chemists. —
2013. — Vol. 71, № 3. — P. 153-160.
11. Lund, D. Influence of time, temperature, moisture, ingredients, and processing conditions on starch gelatinization // D. Lund, K. J. Lorenz/Food Science and Nutrition. — 1984. — Vol. 20, № 4. — P. 249-273.
12.Faltermaier A. Common wheat (Triticum aestivum L.) and its use as a brewing cereal — a review / Faltermaier A., Waters D., Becker T., Arendt E., Gastl M. // Journal of the Institute of Brewing. —
2014. — Vol. 120, № 1. — P. 1-15.
13. Goode, D. L. Model Studies Characterizing the Rheological Behavior of Simulated Mashing Conditions Using the Rapid
Visco-Analyzer // D. L. Goode/ Journal of the Institute of Brewing. — 2006. — Vol. 64 (2). — P. 100-110.
14.Hall, R. D. Carbohydrates in malting and brewing XI. Note on a modification of the conventional process of infusion mashing // R. D. Hall, G. Harris, I. C. MacWilliam/Journal of the Institute of Brewing. — 1961. — Vol. 67. — P. 151153.
15.Muller, R. The effects of mashing temperature and mash thickness on wort carbohydrate composition // Journal of the Institute of Brewing. — 1991. — Vol. 87. — P. 85-92.
16.Harris, G. Carbohydrates in malting and brewing X. Yields and properties of worts obtained by mashing under various conditions // G. Harris, I. C. MacWilliam /Journal of the Institute of Brewing. — 1961. — Vol. 67. — P. 144151. &
Зависимость экстрактивности и содержания редуцирующих веществ сусла от параметров затирания и состава засыпи
Ключевые слова
ячменный солод; пшеничный солод; затирание; сусло; редуцирующие сахара.
Реферат
Традиционное сырье для производства пива — ячменный солод, но в пивоварении используют и пшеничный солод. Цель работы — изучить влияние состава засыпи и условий затирания на начальную экстрактивность сусла и на уровень образовавшихся редуцирующих сахаров. Затирание проводили с использованием ячменного солода, пшеничного солода и их смеси. В полученных образцах сусла измеряли экстрактивность и количество редуцирующих веществ. Установили, что при одинаковых условиях затирания сусло, полученное из пшеничного солода, имело более высокую экстрактивность, но при этом содержало меньшее количество редуцирующих веществ по сравнению с ячменным. На экстрактивность и на количество редуцирующих веществ в значительной степени влияла начальная температура затирания. Для засыпи с использованием пшеничного солода оказалась благоприятна более низкая начальная температура затирания. При этом слишком длительные паузы во время затирания приводили к снижению экстрактивности. Но при использовании пшеничного солода увеличение длительности пауз приводило к увеличению доли редуцирующих сахаров. Для получения пшеничного сусла с максимальной экстрактивностью и максимальным количеством редуцирующих веществ оптимальным оказался отварочный метод, при этом может использоваться режим с короткими паузами.
Авторы
Алябьев Борис Александрович, аспирант; Ростовская Марина Феликсовна, канд. хим. наук, доцент; Приходько Юрий Вадимович, д-р техн. наук, профессор Дальневосточный федеральный университет, 690091, г. Владивосток, ул. Суханова, 8, sopka2008@mail.ru; rost-mf@mail.ru
The Dependence of the Extractable Content and Reducing Substances of Wort of Mashing Parameters the Parameters and Composition of the Grist
Key words
barley malt; wheat malt; mashing; wort; reducing sugars.
Abstract
Traditional raw material for the production of beer is barley malt, but also wheat malt is used in brewing. The aims of this work were to study the effect of the composition of the grist and the initial conditions mashing on wort extract content and on the level of reducing sugars formed. Mashing was carried out using barley malt, wheat malt and mixtures thereof. In the obtained wort samples, the extract and amount of reducing substances were measured. We found that wort obtained from wheat malt had extract higher than wort of barley, but it contained a smaller amount of reducing substances in comparison with barley, although the mashing conditions were the same. The initial temperature of the mash has significantly effect on the wort extract and the amount of reducing substances. Low initial temperature of the mash was favorable for grist of wheat malt. At the same time, the long pauses during mashing led to a decrease wort extract. However, increase in the duration of pauses with using wheat malt led to an increase the proportion of reducing sugars. For maximum wheat wort extract content and maximum amount of reducing sugars proved optimal decoction method, there may be the one with short pauses.
Authors
Alyabiev Boris Alexandrovich, Post-graduate Student;
Rostovskaia Marina Felixovna,
Candidate of Chemical Science, Post-graduate Student;
Prikhodko Yuriy Vadimovich, Doctor of Technical Science, Professor
Far Eastern Federal University
8 Suhanova St., Vladivostok, 690091, Russia,
sopka2008@mail.ru; rost-mf@mail.ru
2016 ПИВО и НАПИТКИ 43
