Получение сброженной основы для кваса с использованием природного источника сахара

Актуальным трендом развития пищевой промышленности является разработка новых видов продукции коррекционного назначения с учетом медико-биологических рекомендаций для различных групп населения [1–5]. Одновременно продолжается выпуск традиционных продуктов, включая напитки, но с приданием им дополнительных характеристик, в первую очередь повышения биологической ценности, функциональной направленности. Данная цель достигается различными приемами, в частности использованием неприсущего для данного продукта сырья. Этот подход важен и в производстве кваса [6–12].

Наряду с типичными основными видами зернового сырья и продуктами его переработки (солодом ржаным / ячменным, мукой ржаной / кукурузной, сухим квасом, концентратом квасного сусла) [13] в производстве кваса распространение получают нехарактерные сырьевые материалы. В качестве таковых выступают разнообразные плоды и ягоды (облепиха, жимолость, рябина черноплодная, барбарис и др.) [ 7, 10-12], овощи (свекла красная) [6], зерновые, бобовые культуры, а также отходы их переработки (солод соевый, овсяной тритикалевый, гречишный, гречишная лузга) и т. п. [8, 9, 14, 15]. Кроме того, проводятся исследования по расширению применяемых для ферментации среды видов и штаммов микроорганизмов (дрожжей, молочнокислых бактерий) [13, 16–18]. Вводимые в рецептуру кваса ранее неиспользуемые компоненты придают напитку новые оттенки в органолептике, повышают биологическую и пищевую ценность, обеспечивают функциональность.

Основной составляющей в рецептуре напитка, гарантирующей заданную концентрацию сухих веществ, а также спирта в готовом квасе, является сахар. Рассматривая сахар как высоко-очищенный от сопутствующих веществ продукт, представляющий собой практически чистую сахарозу, нужно учитывать неоднозначное влияние его на здоровье человека, в первую очередь повышенную калорийность. С этой точки зрения представляет интерес исследования по замене сахара сладкими веществами природного происхождения или сахарными спиртами. В работах [17, 19] показана возможность частичной замены сахарного сиропа на фруктозу, перспективно использование водных экстрактов листьев стевии [20]. Готовый напиток, помимо жаждоутоляющего действия, способствует укреплению физиологических функций организма, но без лишних калорий.

Оценивая квас как напиток, содержащий только нативные компоненты исходного сырья, альтернативой сахарного сиропа может служить сок сахарной свеклы (ССС). В ССС, получаемом в результате измельчения сырья, присутствуют углеводы различного состава и молекулярной массы (сахароза, глюкоза, фруктоза, раффиноза, декстран, леван); азотистые и минеральные вещества, витамины. Из группы азотсодержащих веществ наибольшую ценность представляют аминокислоты (заменимые и незаменимые) и производное глицина – бетаин. В минеральной составляющей ССС доминируют калий и натрий с минорным содержанием магния, кальция, селена, цинка, кремния, молибдена, бора. Из витаминов преобладают в количественном отношении В з , В 8 , H.

Одним из полупродуктов переработки сахарной свеклы является свекловичный жом. За счет наличия в составе безазотистых экстрактивных веществ, азотистых соединений, минеральных элементов, жира и других компонентов жом представляет ценный кормовой продукт. Экстракт, полученный из высушенного жома, так же, как и сок свеклы, может быть источником необходимых для размножения и роста дрожжей веществ. Таким образом, разнообразие состава сока и жома сахарной свеклы делает их многообещающим сырьем в производстве кваса повышенной биологической ценности.

Цель работы – исследование влияния сока сахарной свеклы и экстракта свекловичного жома на качественные характеристики сброженной основы для кваса.

Материалы и методы

Объектами изучения служили сок сахарной свеклы прямого отжима, полученный из сахарной свеклы урожая 2023 года (ОАО «Черемновский сахарный завод», с. Черемное, Алтайский край), экстракт свекловичного жома (ЭСЖ), дрожжи Saccharomyces cerevisiae : хлебопекарные прессованные (ООО «САФ-НЕВА», г. Узловая), производственные пивные низового брожения рас S-23, W-34/70 (ООО «ТК «Золотая Сова», г. Кемерово), сброженная основа.

Сок прямого отжима представлял собой непрозрачную с опалесценцией жидкость с посторонними включениями, свойственным сырью ароматом, без посторонних запахов, сладким вкусом, без посторонних привкусов. Показатели сока (по данным заводской лаборатории): массовая доля сухих веществ 20%, в том числе сахаров 18,3%, коллоидных веществ 1,6%, рН 6,4. Опытные образцы сусла готовили либо непосредственно из ССС, либо с добавлением различного количества концентрата квасного сусла (ККС) и воды для обеспечения начальной экстрактивности среды 6%. В качестве контроля использовали аналогичное по содержанию сухих веществ сусло, приготовленное из ККС и сахарного сиропа.

Для приготовления ЭСЖ применяли свекловичный жом после высушивания при температуре 100 и 170 °С (образцы сырого жома предоставлены производителем ООО «Черемнов-ский сахарный завод»). В качестве экстрагента выступала водопроводная вода, соотношение твердой и жидкой фазы (гидромодуль) – 1:10, 1:12,5 и 1:15. Выбранный диапазон гидромодуля объясняется тем, что при меньшем соотношении жома и воды (1:5) за счет значительного содержания в сахарной свекле пектиновых веществ происходит чрезмерное поглощение влаги твердой фазой, а при большем – снижается выход экстрактивных веществ. Полученную смесь кипятили в течение 1–2 ч. Затем отделяли самотечную часть экстракта, жом прессовали и прессовую фракцию присоединяли к самотечной. Сусло из ЭЖС получали разбавлением водой до содержания сухих веществ 6%.

С целью создания оптимальных условий для развития дрожжей сусло всех образцов подкисляли до рН 5,0–5,2 молочной кислотой. Перед сбраживанием сусло стерилизовали автоклавированием. Ферментацию среды осуществляли в ПЭТ-бутылках с гидрозатвором в термостате при температуре 28 °С. Доза введения дрожжей хлебопекарных прессованных 0,015 г/100 см3 сусла, пивных дрожжей – 8 x 106 клеток/см3. Величина засева основана на данных литературы [13].

В исходном сусле и в процессе брожения оценивали сухие вещества ареометрическим методом, массу выделившегося диоксида углерода – весовым способом по разнице массы среды до и после ферментации, титруемую кислотность – титриметрически, физиологические показатели дрожжей (концентрацию клеток общую, почкующихся и нежизнеспособных) – прямым микроскопированием. Для определения способности дрожжей сбраживать сахара сусла (бродильной активности) использовали модифицированный метод Варбурга в модификации

Давыденко С.Г. (2012) – по количеству выделившегося диоксида углерода за 60 мин.

Результаты и обсуждение

На начальном этапе работы были выявлены рациональные параметры получения ЭСЖ с учетом выхода сухих веществ. Из полученных данных видно (таблица 1), что максимально достигнутый в условиях эксперимента выход сухих веществ наблюдается при гидромодуле 1:10 и 1:12,5 и длительности кипячения 1,5–2 ч. Причем в экстрактах из жома, высушенного при 100 °С, содержание сухих веществ при всех прочих равных условиях в среднем на 3% больше, чем из жома с температурой сушки при 170 °С. Кроме того, в последнем случае в экстрактах более выраженно ощущался запах карамелизованного сахара и горечь во вкусе, что объясняется интенсивным протеканием реакций меланоидинообразования и карамелизации с потерей свободных сахаров и аминокислот при высоких температурах сушки.

Для дальнейших исследований был взят экстракт, извлеченный из жома первого образца (температура сушки 100 °С) путем кипячения в течение 2 ч (гидромодуль 1:12,5). Внешний вид ЭСЖ – мутная жидкость с сильной опалесценцией, цвет – серовато-белый, вкус и запах – с оттенком пережженного сахара.

В производстве кваса с учетом симбиотических взаимоотношений традиционно используется комбинированная закваска, включающая квасные дрожжи Saccharomyces minor расы М и молочнокислые бактерии Betabacterium β рас 11 и 13 [13]. Кроме этого, для сбраживания сусла возможно использование только дрожжей (хлебопекарных сухих / прессованных, пивных жидких / сухих / верхового / низового брожения, винных, гибридных (полученных скрещиванием разных видов винных или винных и пивных дрожжей). Совместно с ними предлагается применять отдельные виды молочнокислых бактерий родов Streptococcus, Leuconostoc, Lactobacillus , бифидобактерии семейства Actinomycetaceae [6, 13, 16–19].

Таблица 1.

Показатели экстракта свекловичного жома

Table 1.

Indicators of beet pulp extract

Образец (температура сушки жома) Sample (drying temperature pulp)	Гидромодуль Hydraulic module	Сухие вещества, % Dry matter, % длительность кипячения boiling time			Объем самотека, см3 Gravity juice volume, сm3	Общий объем экстракта, см3 Total extract volume, сm3
		1 ч | 1 h	1,5 ч | 1,5 h	2 ч | 2 h
1 (100 °С)	1:10	8,2	9,1	-	85	265
	1:12,5	7,0	7,4	8,3	140	290
	1:15	4,5	4,6	-	405	570
2 (170 °С)	1:10	7,6	8,3	-	125	295
	1:12,5	6,9	7,4	7,9	150	310
	1:15	4,7	4,9	-	385	555

Условия ферментации, включая состав питательной среды, оказывают существенное влияние на жизнедеятельность микроорганизмов и, тем самым, на ход технологического процесса и, в конечном итоге, на качество готового напитка. Был исследован процесс сбраживания сусла из ССС и ЭСЖ различными видами дрожжей: хлебопекарными прессованными и пивными низового брожения (расы S-23, W-34/70). Результаты представлены в таблице 2 и на рисунке 1.

Установлено, что все используемые дрожжи лучше сбраживают сусло на основе ССС, чем ЭСЖ. Так, например, к окончанию процесса (через 15 ч после начала) концентрация сухих веществ в образце с ССС в среднем была на 16% меньше в сравнении с величиной этого показателя на тот же момент времени в образце с ЭСЖ. Подтверждением служит также количество выделившего диоксида углерода за период ферментации среды. В первом случае убыль СО 2 была на 10% больше, чем во втором. Вероятной причиной относительно низкой скорости сбраживания сухих веществ сусла на основе экстракта является наличие в нем веществ (меланоидинов, карамелей), образовавшихся в процессе сушки жома и угнетающе действующих на дрожжи. Имеется разница и в органолептике полученных сброженных основ. В основе с ЭЖС явственно чувствовался оттенок жженого сахара.

Таблица 2. Показатели сброженной разными дрожжами среды на основе ССС и ЭЖС

Table 2.

Indicators of a fermented medium based on SBJ and BPE with different yeasts

Показатель Indicators	Среда Medium	Дрожжи Yeast
		XII BY	S-23	W-34/ 70
Сухие вещества, % Dry matter, %	ССС SBJ	3,5	2,9	2,7
	ЭЖС BPE	3,9	3,3	3,6
Кислотность, к. ед. Acidity, a. u.	ССС SBJ	2,3	1,9	2,1
	ЭЖС BPE	2,0	1,8	1,9
СО 2 , г | СО 2 , g	ССС SBJ	4,3	6,2	5,7
	ЭЖС BPE	4,0	5,6	5,0

Сравнивая эффективность ферментации сусла разыми дрожжами, стоит отметить преимущество пивных дрожжей обеих рас перед хлебопекарными. Это проявляется в убыли экстрактивных веществ сусла (на 20% ниже, чем в варианте с хлебопекарными дрожжами), но не в изменении кислотности. Кислотонакоп-ление во всех случаях находится практически на одном уровне. Из используемых пивных дрожжей раса S-23 по убыли СО2 проявила себя лучше, чем W-34/70. Отмеченная в разных образцах сусла тенденция в сбраживании экстрактивных веществ наблюдается и при размножении дрожжей. Сусло на основе ССС способствовало более быстрому началу активного размножения, большему (на 33%) приросту биомассы клеток, снижению количества нежизнеспособных особей. Причины наблюдаемых явлений связаны, возможно, с пониженным содержанием в ЭЖС усвояемых дрожжами питательных веществ (сахаров и азотистых соединений), израсходованных в реакциях меланоидинообразования и карамелизации, наличие вредных соединений, образующихся при сушке жома.

S-23

ХП | BY

S-23

ХП | BY

|№>№№К^^

0        20       40       60       80

Значение показателя | Indicator value и Общая концентрация клеток |Total cell concentration Б Почкующиеся | Budding cells

• ■ Нежизнеспособные | Cells are not viable

Рисунок 1. Влияние среды сбраживания на физиологические показатели дрожжей (общая концентрация клеток, х10 ⁶ /см ³ , клетки почкующиеся и нежизнеспособные, % от общего)

Figure 1. The influence of the fermentation environment on the physiological parameters of yeast (total cell concentration, х10 ⁶ /сm ³ , budding cells and non-viable cells, % of total)

С учетом полученных данных дальнейшие исследования проводили с применением ССС и пивных дрожжей расы S-23. На рисунке 2 представлены результаты определения бродильной активности дрожжей на сусле, приготовленном полностью на ККС и сахарном сиропе (контроль), а также на ССС и ССС с добавлением разного количества ККС (опыт). Выявлено возрастание ферментативной активности дрожжей во всех опытных образцах на 109–136% в сравнении с контрольным вариантом. Это объясняется более полноценным составом сбраживаемой среды за счет внесения с ССС не только легкоусвояемых углеводов, но и других веществ, обеспечивающих нормальное развитие культуры.

Образец | Sample

Рисунок 2. Бродильная активность дрожжей на средах: 1 – ККС, 2 – ССС, 3 – ССС + 5% ККС, 4 – ССС + 10% ККС, 5 – ССС + 30% ККС

Figure 2. Fermentation activity of yeast on various media: 1 – KWC, 2 – SBJ, 3 – SBJ + 5% KWC, 4 – SBJ + 10%

KWC, 5 – SBJ + 30% KWC

Органолептическая оценка сброженных основ с использованием ССС и с добавлением ККС приведена в таблице 3. Общим изъяном основ на базе ССС и ССС с 5% ККС является присутствие в запахе или вкусе оттенков основного сырья – сахарной свеклы. Введение в сусло большего количества ККС позволяет нивелировать эти отклонения и придать сброженной основе различной интенсивности хлебный привкус, аромат и окраску. Недостаток сладости в образцах обусловлен перебродом сусла, что в дальнейшем корректируется длительностью процесса ферментации c учетом снижения массовой доли сухих веществ на 1% от первоначальной величины.

Таблица 3.

Органолептическая характеристика сброженной основы

Table 3.

Organoleptic characteristics of the fermented base

Показатель Indicators	Образец | Sample
	ССС | KWC	ССС + 5% ККС SBJ + 5% KWC	ССС + 10% ККС SBJ + 10% KWC	ССС + 30% ККС SBJ + 30% KWC
Цвет Colour	бело-серый white-gray	светло-коричневый light brown	коричневый со светлым оттенком light brown	коричневый, характерный для хлебного кваса brown, characteristic of bread kvass
Вкус Taste	кисло-сладкий с преобладанием сладкого, с привкусом свеклы sweet and sour with a predominance of sweet, with a beet flavor	кисло-сладкий, отдаленная схожесть с окрошечным квасом, без привкуса свеклы sweet and sour, vaguely similar to okroshka kvass, without the taste of sugar beets	более выражен кислый, с недостатком сладкого привкуса more pronounced sour, with a lack of sweet aftertaste	вкус кислый, резкий, не хватает сладости taste sour, sharp, lacks sweetness
Запах Flavor	свекольный the smell of sugar beets	кисловатый, без ощущения свекольного запаха sourish, without the smell of sugar beets	хлебного кваса the smell of bread kvass	выраженный запах хлебного кваса strong smell of bread kvass

Брожение образцов сусла, изготовленного из ССС с добавлением 10% ККС (опыт) и только из ККС и сахарного сиропа (контроль), выявило следующие закономерности (таблица 4). В сброженной через 15 ч основе опытного образца массовая доля сухих веществ была в 1,2 раза ниже в сравнении с контрольным вариантом, а убыль диоксида углерода, оцениваемая по снижению массы пробы, в 1,4 раза больше. Разница в кислотности составляла 0,32 к. ед. Анализ физиологических показателей дрожжей после ферментации основы на базе ССС свидетельствует о более существенном (на 28%) приросте биомассы и активно размножающихся клеток (на 61%) по отношению к контролю (образец с ККС). Для обеспечения рекомендуемой величины снижения (1%) экстрактивных веществ сусла на основе ССС в процессе ферментации и предотвращения чрезмерного накопления спирта необходимо в дальнейшем сократить длительность брожения до 12–13 ч.

Таблица 4.

Показатели сброженной основы

Table 4.

Indicators of the fermented base

Показатель Indicators	Образец | Sample
	ККС KWC	ССС + 10% ККС SBJ + 10% KWC
Сухие вещества, % Dry matter, %	5,0	4,1
Кислотность, к. ед. Acidity, a. u.	1,98	2,3
СО 2 , г | СО 2 , g	4,31	6,22
Количество клеток дрожжей Number of yeast cells общее, х10 6 /см 3 total, х10 6 /сm 3	31	40
почкующихся, % budding, %	34	55
нежизнеспособных, % non-viable, %	4	5

Полученные в приведенном исследовании результаты согласуются с данными других авторов, изучавших влияние трансформации питательной среды путем использования сырья, содержащего биологически ценные вещества, на развитие микробной массы (дрожжевой, бактериальной). Так, например, введение в сусло из зернопродуктов порошка из ягод Berberis vulgaris с наличием в составе БАВ (витаминов В1, В2, В5, В6, комплекса минеральных элементов с преобладанием калия, кальция, магния и натрия), привело к стимулированию жизненной активности дрожжей, что сократило длительность ферментации на 20–30% [10]. Замена сахарного сиропа в квасном сусле на фруктозоглюкозный сироп из топинамбура позволила создать благоприятные условия для развития биомассы смешанной закваски (на примере пивных дрожжей низового брожения расы 8аМ и молочнокислых бактерий Bifidobacterium bifidum и Lactobacillus acidophilus), а также обогатить напиток БАВ нетрадиционного сырья с одновременным снижением калорийности продукта [17]. Полная замена сахарозы на фруктозу или смесь фруктозы и ксилита также обеспечивает быстрое сбраживание сусла с получением готового кваса с пониженной энергетической ценностью, но по физико-химическим и органолептическим показателям, отвечающим требованиям стандарта [19]. Обеспечить низкую калорийность кваса можно не только корректируя состав сусла до начала брожения, но и на этапе купажирования. Примером является использовании стевии, добавляемой в купаж напитка [20].

Заключение

Результаты проведенных исследований позволяют сделать следующие выводы. Показана потенциальная возможность замены сахарозы в виде сахарного сиропа на сок сахарной свеклы. Установлено, что сусло на основе ССС сбраживается быстрее и более глубоко в сравнении с ферментируемой средой на базе экстракта свекловичного жома или концентрата квасного сусла.

Получение сброженной основы из ССС целесообразно вести дрожжами пивными низового брожения, в частности расы S-23, чем хлебопекарными. При типичной температуре ферментации культура пивных дрожжей обеспечивает нормативное снижение массовой доли сухих веществ на 2–3 ч быстрее. Для корректировки вкусо-ароматических и цветовых характеристик сброженной основы из ССС рекомендуется добавлять ККС, начиная с 10% к объему среды.

Таким образом, существующая альтернатива сахару в виде сока сахарной свеклы при изготовлении кваса позволит снизить энергетическую ценность напитка, обогатить продукт ценными компонентами исходного сырья без ухудшения физико-химических и органолептических показателей.