Современные подходы к возможности интенсификации процесса затирания пивного сусла. Патентный анализ

Технология производства пива достаточно сложна и требовательна к условиям в связи с тем, что предполагает протекание многих физико-химических, биохимических и других процессов, обуславливающих качественные и вкусовые показатели готового продукта [1].

Известно, что ключевым и очень важным этапом пивоварения является процесс затирания солода, при котором молотый пивоваренный солод смешивают с водой и выдерживают при определенных температурах. Делается это для активации различных ферментов с целью расщепления ими глюканов, крахмалов и белков (см. рисунок).

Солод, как основное сырье для пива, является не только источником получения экстрактивных веществ, но и источником ферментов (амилолитических, протеолитических, цитолитических и других), под действием которых нерастворимые вещества самого солода и несоложеных материалов (крахмал, белки и пр.) переводятся в раствор.

При затирании солода наиболее важную роль по сравнению с другими ферментами играют амилазы и протеазы. При затирании создаются наиболее благоприятные условия для действия амилаз, при температуре около 80 °С ферменты полностью инактивируются (разрушаются). Активность ферментов зависит от концентрации водородных ионов (рН), концентрации затора, концентрации самих ферментов и ряда других факторов.

Амилаза является смесью двух ферментов а- и в-амилаз. Свойства а- и в-амилаз различны и позволяют изменять процесс ферментативного гидролиза крахмала в нужном направлении и регулировать состав сусла для пива.

Декстрины (ахро- и мальтодекстрины) должны быть в сусле, так как обусловливают полноту вкуса и вязкость пива.

Затирание сусла для пивоварения

Кипячение пивного сусла

Дображивание в течение 7 суток

Фильтрование затора (отделение жидкой фракции от густой), подготовка затора к кипячению

Остужение сусла до комнатной температуры и внесение специальных пивных дрожжей

• •    Расщепление крахмала (альфа-амилаза — на несбраживаемые сахара; бета-амилаза - на сбраживаемые сахара);

• •    расщепление протеинов (протеолитическими ферментами - до растворимых в воде белков, пептонов, полипептидов, аминокислот)

Технология производства пива

Во время затирания солода кроме осахаривания крахмала происходят и другие ферментативные процессы: распад белков, фосфорноорганических соединений. Превращение белковых веществ и их состав при затирании влияет на пенообразование, стойкость и вкусовые качества пива. Кроме того, продукты распада белков – аминокислоты – необходимы для питания и размножения дрожжей [3].

Основной процесс расщепления белков протекает при соложении, а при затирании процесс распада их под влиянием протеолитических ферментов проходит иначе и не так глубоко. Главными продуктами расщепления белков являются растворимые в воде белки, пептоны и полипептиды; аминокислот образуется сравнительно мало.

Активность различных ферментов зависит от температуры, и на выполнение поставленных перед ними задач им нужно определенное время [3, 4]. С этим и связана необходимость осуществления температурных пауз, что делает процесс затирания длительным.

• 1.    Кислотная пауза (35–45 °C, 15–70 минут) – понижается pH затора до нужных значений, ощутимое снижение кислотности достигается только после 60 минут варки.

• 2.    Белковая пауза (44–59 °C, 10–15 минут). На этих температурах происходит расщепление белков. Это благотворно влияет на пенообразование и на стойкость пивной пены, также повышает экстрактивность сусла. В этой паузе задействованы два фермента: при температуре 44–50 °C работают протеазы, расщепляющие белки на аминокислоты, которые впоследствии будут питательными веществами для дрожжей, а при температуре 50– 59 °C уже другие протеазы расщепляют белок на вещества, способствующие прозрачности пиву и пенообразованию.

• 3.    Осахаривание (61–72 °C, 50–120 минут). Обеспечивает превращение крахмала в нужный для брожения сахар. В этой паузе также задействованы два фермента (альфа-амилаза и бета-амилаза): при 61–67 °C активируется бета-амилаза, чем дольше работает этот фермент, тем суше и крепче получается пиво. Требуется довольно долгая пауза (порядка двух часов), чтобы фермент отработал полностью, и получилось довольно сухое пиво.

• 4.    Мешаут или мэш-аут (77-79 °C, 5 минут). Пауза, служащая для остановки работы ферментов. Производится перед промывкой солода для уменьшения вязкости сусла и увеличения скорости фильтрации.

Длительность данной паузы, а также возможность использования в производстве современного солода и различных добавок к воде, способных повлиять на pH, делает эту паузу излишней, и от нее часто отказываются. Однако при использовании в производстве ржи, пшеницы, овса и слабомодифицирова- ных солодов, которые характеризуются высоким содержанием глюканов, делает необходимой данную паузу хотя бы в течение 15 минут, так как при данных температурах также разрушаются глюканы, которые превращают затор в клейстер. Глюканы ответственны за помутнение в пиве.

При повышении температуры до 68–72 °C в действие вступает альфа-амилаза. Она образует несбраживаемые сахара, которые формируют тело пива, делает пиво сладким, но уро- вень алкоголя в пиве при этом будет ниже, поскольку снижается концентрация сахаров, подходящих дрожжам для переработки на спирт.

Соблюдение всех указанных пауз оказывает влияние на качество вырабатываемого пива, однако увеличивает время приготовления готового продукта и тем самым удорожает его. Исследования многих современных ученых направлены на изучение влияния различных факторов на процесс затирания пивного сусла и возможности интенсификации данного этапа.

Известно большое количество способов изменения технологии приготовления сусла, направленных на повышение эффективности извлечения полезных компонентов из солода и несоложенного сырья путем разрушения межмолекулярных связей углеводных составляющих зернового сырья различными воздействиями на него. Также активизация процесса затирания солода происходит при введении в затор ферментных препаратов либо модификацией технологии приготовления пива дополнительным оборудованием.

В частности, авторами Квасенковым О.И., Христюк А.В, Касьяновым Г.И. [5] предложено изготовление затора путем вспучивания зерна и солода при их пропитке газожидкостной мисцеллой хмеля при давлении выше атмосферного и сбросе давления до атмосферного, их затирания и осахаривания. Разрушение клеточных мембран понижает диффузионное сопротивление сырья и также облегчает и интенсифицирует процесс осахаривания затора. В итоге необходимость введения дополнительных ферментных препаратов отпадает, а выход экстрактивных веществ и сусла увеличивается.

Третьяк Л.Н., Герасимов Е.М. [6] предложили свой способ получения пивного сусла: дробление солода и зернопродуктов, приготовление затора, включая его гидродинамическую обработку, затирание, осахаривание с последующим фильтрованием, выщелачивание сусла, его кипячение с хмелем и выпаривание излишней влаги, при этом процесс фильтрования проводят через слой взвешенной дробины в диапазоне температур 50–

80 °С. Способ позволяет сократить длительность цикла фильтрации при получении максимального выхода экстракта и автоматизировать управление процессом получения пивного сусла по критериям качества.

Потапов А.Н. с соавторами [7] предлагают смешивать при нагревании зернопродукты с водой и ферментными препаратами Целло-виридин Г10х и МЭК1 в дозировках 300–500 г/т и 250–550 г/т соответственно. В составе зернопродуктов используется 25–50 % солода и 50–75 % ячменя. Процесс затирания проводят в роторно-пульсационном аппарате при частоте вращения ротора 1500–2000 об/мин, температуре 60 °C в течение 10–15 минут. Далее сусло подвергают фильтрованию и кипячению с хмелем. Изобретение позволяет обеспечить высокие физико-химические показатели качества сусла при сокращенной продолжительности процесса затирания и использовании до 75 % несоложеного сырья в заторе.

Известны способы получения сусла из зернопродуктов с применением энергии электромагнитного излучения (при длине волны в диапазоне 0,6–1,6 мкм в течение 10–15 секунд при плотности потока 10–15 кВт/см2), воздействующего на ячменный солод и несоложен-ное сырье перед его затиранием или воду, обработанную постоянным магнитным полем и применяемую для затирания (величина магнитной индукции в зоне обработки 30– 120 мТл) [2].

При использовании способа в сусле увеличивается содержание редуцирующих сахаров на 5,3–18,3 %, а аминного азота на 0,45– 7,5 % и массовой доли сухих веществ на 6,54– 11,0 % по сравнению с контролем. Однако способ не предотвращает закупорки пор фильтрующих элементов.

Известен способ приготовления затора, предусматривающий затирание зерна и солода и их термообработку паром в поле акустических колебаний, при этом зерно и солод перед затиранием пропитывают сжиженным газом; при последующем сбросе давления до атмосферного впитанный сырьем сжиженный газ вскипает с резким увеличением объема, что приводит к вспучиванию сырья и его клеточных мембран [19]. Применение способа позволяет ускорить осахаривание затора (на 10–25 %) и увеличить выход экстрактивных веществ на 1,5–2,0 %. Способ не предусматривает непосредственного воздействия на процесс фильтрации затора или автоматизированного контроля над качеством промежуточного продукта.

Все указанные способы приготовления пивного сусла способствуют повышению извлечения полезных компонентов из сырья, однако незначительно влияют на процессы фильтрации затора и не устраняют периодической забивки пор фильтров составными компонентами затора. Основными недостатками перечисленных способов являются так называемые «проблемы фильтрации», приводящие к закупорке пор фильтрующих элементов.

Кайтуков Ч.М. [8] дополнил технологию приготовления сусла дополнительным элементом – водопроницаемым контейнером, в который помещают затираемое сырье.

В способе приготовления сусла, включающем процессы получения затора, его осахаривания и фильтрации с получением начального сусла, согласно изобретению затираемое сырье помещают в, по меньшей мере, один водопроницаемый контейнер-мешочек, а процессы получения затора, его осахаривания и фильтрации с получением начального сусла осуществляют в подвижной емкости, в которую предварительно загружают водопроницаемые контейнеры-мешочки с затираемым сырьем. Для получения готового пивного сусла полученное сусло подвергают дополнительным стадиям охмеления сусла и отделения белкового и/или хмелевого осадка.

Водопроницаемый контейнер-мешочек представляет собой сетчатый одно- или многоразовый пакет. Это позволяет значительно сократить дороговизну варочного порядка, значительно сократить габариты варочного порядка, значительно сократить длительность цикла получения пивного сусла с 5–8 до 3– 5 ч, обеспечить производительность варочного порядка от 8 до 14 варок в сутки в зависимости от длительности совмещенного процесса затирания и фильтрации, снизить энергопотребление варочного порядка и снизить остаточное содержание сусла в дробине.

Модификация Берлогина В.И. [20] в технологии производства пива предусматривает затирание светлого солода с несоложеным сырьем, предварительно обработанным путем экструзии, фильтрование полученного сусла, кипячение его с хмелепродуктами, обхаживание, дображивание, созревание, осветление и розлив. Новым в способе является то, что в качестве несоложеного, экструдированного сырья используют текстурированную муку, полученную путем экструдирования шелуше-ного зерна или крупы, при увлажнении до 28 %, температуре от 110 до 240 °С и давлении до 60 атм с последующей досушкой до влагосодержания не выше 8 % и размалыванием до размеров не более 2 мм.

Полученный продукт имеет экстрактивность до 87 %, содержит массовую долю сырого протеина не более 20,5%, массовую долю сырой золы не более 2,2 %, массовую долю сырого жира не более 6,1 %, углеводов не более 77 %. В качестве текстурированной муки используют пшеничную муку с показателем массовой доли сырого протеина не более 12,5 %, массовой доли золы не более 1,7 %, массовой доли сырого жира не более 2,5 %, углеводов не более 77 %, в качестве текстурированной муки используют гороховую муку, и/или овсяную муку, и/или ячменную муку, и/или пшенную муку с соответствующими биохимическими показателями. Это позволяет увеличить выход готового сусла с повышенной плотностью. Кроме того, это позволяет использовать солод с низкой экстрактивностью, не ухудшая качество конечного продукта.

Пермякова Л.В и Хорунжина С.И. [11] разработали способ приготовления охмеленного охлажденного сусла, его фильтрование через вспомогательный фильтрующий материал, в качестве которого используют углеродсодержащее волокно, полученное пиролизом вискозы в виде нетканого полотна, причем фильтрование осуществляют со скоростью 0,6–1,2 дм3 /ч при массе волокна 0,2–0,5 г в течение 0,5–1,5 часов, затем проводят сбраживание сусла пивными дрожжами. Изобретение обеспечивает ускорение процесса сбраживания пивного сусла, улучшение физико-химических и органолептических показателей качества пива и повышение его коллоидной стойкости.

Пермякова Л.В., Помозова В.А., Киселева Т.Ф., Шелепов В. Г. [12] дополнили технологию приготовления охмеленного пивного сусла внесением мелкодисперсного порошка пантов в виде 0,1 %-ного водного раствора в количестве 0,1–0,5 см3 /100 см3 или 0,1%-ный водный раствор мелкодисперсного порошка пантов в количестве 0,1–0,5 см3 /100 см3 добавляют к жидкой разводке семенных дрожжей, предварительно смешанной с охмеленным охлажденным суслом в соотношении 1:1. Смесь выдерживают при температуре 2–4 °С в течение 0,5–1 часа, после чего семенные дрожжи вводят в сусло при норме введения дрожжей 20 млн кл./ см3. Брожение сусла осуществляют при температуре 10 °С, а доб-раживание при температуре 2–3 °С. Изобретение обеспечивает ускорение процесса сбраживания пивного сусла и улучшение качества готового пива, в частности повышение его стойкости.

Артс Гвидо с соавторами [13] запатентовали в технологии приготовления пива низового брожения при затирании использование крупки, содержащей от 15 до 50 вес.% по сухому веществу пшеничных или ржаных отрубей и от 40 до 85 вес.% по сухому веществу солода. В затор добавляют ферменты, расщепляющие крахмал, процесс ведут при температуре от 60 до 65 °С и рН от 5,0 до 5,6. Пиво, полученное по данному способу, содержит более чем 0,5 и до 5 мг общей феруловой кислоты на г сухого вещества (СВ), более чем 0,7 и до 5 мг кремния на г СВ, а соотношение С19:0 алкилрезорцинола к сумме С17:0, С 19:0, С21:0, С23:0 и С25:0 алкилрезорцино-лов, содержащихся в пиве, составляет от, по меньшей мере, 16 % и до 50 % по весу. Изобретение позволяет приготовить пиво, имеющее превосходные вкусовые качества и стабильность вкусовых качеств во время старения, при сравнительно низкой стоимости исходных материалов, а также повышенное содержание полезных для здоровья фитопита-тельных веществ.

Пермякова Л.В., Помозова В.А., Хорун-жина С.И., Русских Р.В [14] для ускорения процесса сбраживания пивного сусла и улучшения качества пива применяют комплексное дрожжевое питание, представляющее смесь совместно измельченного природного цеолит-содержащего туфа и сухих дрожжей, которую вводят в охлажденное охмеленное сусло перед введением дрожжей или добавляют к семенным дрожжам перед введением их в охлажденное сусло.

Потапов А.Н., Потапова М.Н., Понамаре-ва М.В., Гралевская И.В. [10] для интенсификации процесса затирания предлагают модифицировать процесс смешивания зернопро-дуктов с водой и осуществления процесса затирания роторно-пульсационным аппаратом со следующими параметрами работы: частота вращения ротора – 1500…2000 об/мин, межцилиндровый зазор – 0,1·10–3 м, температура – 60 °С, 10–15 минут, при этом в составе зер- нопродуктов используется 75–85 % солода и 15–25 % ячменя и исключаются ферментные препараты. После затирания осуществляют фильтрование и кипячение полученного сусла с хмелем.

Изобретение обеспечивает получение пивного сусла, имеющего высокие показатели качества при сокращенной продолжительности процесса затирания и использовании несоложеного сырья без добавления ферментных препаратов.

Крайсц Штефан, Фредериксен А.М. [17] предлагают ускорение затирания за счет сокращения или исключения 2 ферментных выдержек во время затирания, при этом не понижая сбраживаемость сусла, в котором количество сбраживаемых сахаров составляет по меньшей мере 75 % растворимых углеводов.

Согласно изобретению производство сусла включает смешивание с водой зернового материала, содержащего по меньшей мере 50 % солода, добавление к смеси пуллулана-зы, имеющей более чем 60 % ферментную активность при 64 °C в течение 10 минут при pH 5,0, выдержку указанной смеси при 58–68 °C в течение 10–40 минут и при 75–80 ºC в течение 5–20 минут, отделение сусла от твердых компонентов. Затирание выполняют в пределах 30–70 минут.

Обеспечить увеличение выхода экстрактивных веществ из солода при приготовлении затора, повысить производительность и качество готового продукта, согласно исследованиям Христюк В.Т., Сергиенко М.А., Узун Л.Н., Гачковская К.В. [16], позволяет обработка пивоваренного солода при дроблении электромагнитным полем низкочастотного диапазона 3–30 Гц напряженностью 0,15–0,38 мТл в течение 40±5 минут.

Квасенков О.И., Христюк А.В., Касьянов Г.И. [18] сократить времени осахаривания получаемого затора и увеличить выход экстрактивных веществ предлагают путем пропитки газожидкостной мисцеллой хмеля при давлении выше атмосферного и сброса давления до атмосферного, затем измельчить и смешать с водой.

Шабурова Г.В. с соавторами [15] предлагают модифицировать технологию изготовления пива экструзионной обработкой. При этом технология будет включать следующие этапы: затирание светлого солода с несоложеным ячменем, предварительно обработанным путем экструзии, фильтрование полученного сусла, кипячение его с хмелепродуктами, сбраживание, дображивание, созревание, осветление и розлив.

Экструзионную обработку несоложеного ячменя проводят в течение 15…25 с при температуре 120…130 °С и с содержанием в нем влаги 12…18 % с последующим воздействием на выходящее из матрицы экструдера сырье пониженным давлением, равным 0,045…0,055 МПа, при этом содержание влаги в экструдированном продукте регулируют величиной вакуума на выходе из фильеры матрицы экструдера. При экструзионной обработке несоложеного ячменя его разрезают на частицы размером 5…6 мм. Экструдированное таким образом сырье содержит меньше нерастворимого нативного крахмала и повышенное количество водорастворимых углеводов.

Третьяк Людмила Николаевна, Герасимов Евгений Михайлович [9] модифицировали технологию изготовления пива режимом низкотемпературной СВЧ-пастеризации на этапе кипячения сусла без добавления хмеля.

Этап основного брожения разделяют на аэробный этап размножения дрожжей до концентрации дрожжевых клеток не менее 150·106 кл./дм3 и на этап анаэробного гликолиза, проводимые в различных технологических емкостях. Вносят биомассу дрожжей с добавлением соединений селена на этапе основного брожения в виде взвеси в пропорции 1/30 к объему сусла, подаваемого на гликолиз. При этом гликолиз проводят до получения требуемой концентрации этанола путем дробного добавления необходимого количества сбраживаемых сахаров, а соединение селена вводят в органической форме в составе плаз-молизата отработанных дрожжей в концентрациях не более 40 мкг/гл.

Изобретение позволяет существенно сократить время основного брожения и весь жизненный цикл производства пива и препятствует накоплению в составе конечного продукта токсичных веществ состава побочных продуктов брожения.

Таким образом, анализ патентной информации позволяет сделать вывод о достаточно активно ведущихся исследованиях в части модификации технологии пивоварения на этапе затирания солода, многие из которых дают положительные эффекты для его интенсификации.