Разработка способа повышения стойкости кваса брожения

Разработка способа повышения стойкости кваса брожения

Т. М. Тананайко, канд. техн. наук, доцент; В. В. Романченко; Г. Г. Садовничая

Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по продовольствию, г. Минск

Ключевые слова: антимикробная активность; антиоксиданты; квас брожения; микробиологическая стойкость; растительные экстракты. Keywords: antioxidants; antimicrobial activity; fermented kvass; microbiological stability; plant extracts.

Известно, что процесс производства квасов брожения является биотехнологическим, с использованием смешанной культуры хлебопекарных дрожжей и молочнокислых бактерий, стабилизация напитка непосредственно связана с микробиологией и санитарией производства. Если при производстве алкогольной продукции определенную стабилизирующую роль играет спирт, то квас брожения, имеющий низкое содержание спирта, практически лишен этой возможности. С другой стороны, технология производства кваса брожения приводит к десятикратному увеличению биомассы дрожжей и отсутствию их естественной длительной седиментации и осветления напитка. Опытами было установлено влияние степени обсемененности напитков на их микробиологическую стабилизацию. При этом выяснилось, что обсемененность обследуемых объектов не должна превышать 300 кл / см3 и в основном содержать дрожжевые клетки. Уровень бактериальных клеток не должен превышать 2-3 кл/см3 [1].

В последнее время разрабатываются методы увеличения стойкости пищевых продуктов, основанные на воздействии электрофизических полей: обработанные ультразвуком, инфразвуком, низко- и высокочастотными электрическими полями, ультрафиолетовым и рентгеновским облучением, высокочастотными и низкочастотными электромагнитными и магнитно-импульсными полями.

Еще одно из направлений создания эффективных технологий продления сроков хранения жидких пищевых продуктов — применение постоянных электрических полей больших потен-

циалов. При обработке пива электрическим полем в бесконтактном режиме общая обсемененность микроорганизмами уменьшалась в 15-20 раз за счет их гибели и снижения способности к самовоспроизводству [1].

Уже достаточное время существует и с успехом используется термический способ повышения стойкости напитков (пастеризация). Для повышения биологической стойкости пиво и квас, разлитые в бутылки, пастеризуют в туннельных пастеризаторах, а не прошедшие стадию розлива — в потоке.

Существуют также способы повышения стойкости напитков с применением флокулянтов и стабилизаторов. Благодаря тому что к производству кваса брожения стали проявлять внимание пивоваренные предприятия, оснащенные необходимым современным оборудованием, создаются все предпосылки для увеличения производства кваса брожения длительной стойкости при хранении. Концепция повышения стойкости кваса заключается в отсутствии в готовом продукте дрожжей и микроорганизмов, вызывающих порчу продукта. Удаление из готового продукта значительной части дрожжевых клеток может быть достигнуто их осаждением разнообразными флокулянтами и фильтрованием кваса, а уничтожение микроорганизмов — путем тепловой обработки. Предложена технология стойкого кваса, полученного сбраживанием квасного сусла и последующим купажированием не только с сахаром, но и с сахарозаменителем. Вследствие частичной замены сахара снижается количество питательных веществ для клеток дрожжей, и в результате увеличивается стойкость готового напитка.

Анализ имеющихся способов повышения стойкости готового кваса позволяет сделать вывод о перспективности удаления кислорода из напитка, тем самым препятствуя его микробиологической порче. Усиление антиокси-дантной защиты организма достигается приемом некоторых экзогенных анти-оксидантов в форме лекарственных препаратов и некоторых факторов питания (витаминов, растительных жиров, аминокислот и других противоокисли-тельных факторов). К пищевым анти-оксидантам относят вещества, замедляющие окисление, в первую очередь ненасыщенных жирных кислот. Из основных антиоксидантов можно выделить аскорбиновую кислоту, ее соли, экстракты чая, дигидрокверцетин, который получают из коры дуба, лиственницы и других растений, обладающих сильными антиоксидантными свойствами. Внесение кверцетина стабилизирует липидный и жирнокислотный состав сублимированного молока [1].

В качестве природных антиокси-дантов также применяют экстракты вкусоароматических добавок (перец душистый, черный, красный, лавровый лист, гвоздика, корица, имбирь и др.). При брожении квасного сусла дрожжи нуждаются в кислороде. При повышенном содержании кислорода в сбраживаемой среде происходит аэробное брожение. Однако для производства напитков брожения важно накопить определенную долю этанола, что достигается при анаэробном дыхании дрожжей. Квас — напиток незавершенного спиртового брожения, отличающийся большим содержанием микроорганизмов на единицу объема. Для повышения стойкости кваса необходимо как можно большее количество клеток удалить после проведения брожения, чтобы избежать возобновления процесса брожения. Для подавления жизнедеятельности оставшихся дрожжей нужно максимально снизить уровень свободного кислорода в напитке.

Таким образом, поиск новых высокоактивных антиокислителей должен идти в направлении изучения возможности использования экологически чистых природных антиоксидантов. Также актуальны исследования, направленные на продление срока хранения квасов брожения за счет применения природных антисептиков.

Для придания функциональной направленности и расширения ассортимента в квас можно вводить растительные добавки. В качестве таких добавок

30 ПИВО и НАПИТКИ 5 • 2012

можно использовать растительное сырье, содержащее большое количество витаминов, витаминоподобных и минеральных веществ. Так на организм человека в целом будет оказывать влияние весь комплекс экстрактивных веществ, присутствующих в квасе, в сочетании с веществами, перешедшими из соков и лекарственных растений. Кроме того, квас с добавками приобретает специфические органолептические и физико-химические показатели. Как правило, при изготовлении квасов брожения растительное сырье используется в виде экстрактов или сиропов [2].

Цель работы — исследование и разработка оптимальных параметров ведения технологического процесса, позволяющего увеличить сроки годности квасов, изготовленных с применением экстрактов растительного сырья.

На основании проведенных теоретических исследований остановились на поиске новых высокоактивных ан-тиокислителей.Изучали возможность использования экологически чистых природных антиоксидантов — растительное сырье, обладающее максимальной антиоксидантной активностью.

Антиоксидантной активностью обладают многие растения, содержащие флавоноиды, витамины, аминокислоты, а именно: чай, зверобой, лист березы, хвоя сосны, чабрец, иван-чай, полынь, душица, багульник, девясил, фруктовые и ягодные соки, а также пряности — корица, гвоздика, имбирь, мускатный орех и др. Результаты теоретических исследований позволили выявить многие биологически активные вещества, также проявляющие антиоксидантную активность. К ним относятся дубильные вещества, антоцианы, органические кислоты и др. То есть существует возможность формирования сбалансированных систем из экстрактивных веществ растительного сырья с анти-оксидантной активностью в составах поликомпонентных концентратов, получаемых из растительного, плодово-ягодного или зернового сырья [3].

Антиоксиданты напитков предотвращают окисление эфирного масла и липидов растительного сырья как компонентов напитков и, следовательно, служат продлению стойкости напитка. Их также можно рассматривать и как вещества с антиоксидант-ной активностью, попадающие в организм человека и продолжающие свое антиокислительное действие, предотвращая окисление ненасыщенных

Таблица 1

Показатель Шалфей Шиповник Ромашка Чабрец Мята перечная Душица

Сумма растворимых сахаров, % 2,98 4,53 3,41 0,95 3,91 2,86

Сумма пектиновых веществ, % 6,40 6,81 11,81 5,95 7,82 8,95

Сумма биофлавоноидов, мг% 2801,32 2049,40 3995,12 2684,33 2025,64 2348,42

Массовая доля витамина С, мг/100г 18,10 53,20 11,40 17,10 12,20 16,80

Содержание р-каротина, мг/100г — 14,10 — 3,80 3,14 1,21

Кальций, мг/100 г 378,50 745,20 354,10 405,00 134,50 970,40

Калий, мг/100 г 6132,40 6234,00 295,70 6050,00 5940,50 368,80

Магний, мг/100 г 1318,90 1523,70 1300,90 1600,00 1650,00 1700,70

Цинк, мкг/100 г 2,10 1,87 1,92 1,81 1,64 2,00

Антиоксидантная активность, г/100 г СВ 34,10 2,48 2,53 18,30 7,80 5,20

липидов — важнейших компонентов биологической мембраны.

Применение антиоксидантов способствует увеличению срока годности многих видов продуктов, защищая их от окисления кислородом воздуха.

На основании проведенных ранее исследований [4] для использования при производстве кваса было отобрано растительное сырье: трава душицы; трава мяты перечной; трава чабреца; цветки ромашки аптечной; плоды шиповника; трава шалфея лекарственного.

Для исследования были взяты травы, собранные в 2010 г., подвергнутые воздушно-теневой сушке, соответствующие требованиям действующих ТНПА. Содержание радионуклидов не превышает республиканские допустимые уровни ГН 10-117.

Проведен анализ отобранных для работы лекарственных трав (табл. 1). Как следует из таблицы, максимальной ан-тиоксидантной активностью обладает шалфей, что можно объяснить наличием большого количества биофлавонои-дов (2801,32 мг%), а антиоксидантный эффект всех исследованных растений убывает в ряду: шалфей > чабрец > мята > душица > ромашка > шиповник.

Таким образом, все исследованные лекарственные растения — природные антиокислители, среди которых самый активный антиокислитель — шалфей. Отсюда следует, что все подвергнутое испытаниям растительное сырье может предотвращать окислительные процессы, происходящие в квасе, и, следовательно, может оказывать положительное влияние на стойкость напитка.

Учитывая цель проводимых исследований и выводы, сделанные в ее теоретической части, выбранные нами лекарственные растения представляют интерес не только как антиоксиданты, но, в большей степени, и как антисептики.

При переходе к исследованиям антимикробной активности предварительно

были приготовлены: образцы квасного сусла по классической технологии путем разведения концентрата квасного сусла (ККС) водой в пропорции 1:2 при температуре 30...35 °С [2, 4]; водные экстракты лекарственных растений путем настаивания на горячей водяной бане в течение 2-2,5 ч при температуре 85.90 °С и гидромодуле 1:10 (по результатам предыдущих исследований).

Далее для непосредственной оценки антимикробной активности растительных экстрактов использовали один из методов выделения чистой культуры — определение количества клеток высевом на плотные питательные среды (чашечный метод) [5]. Данный метод широко применяют для определения численности жизнеспособных клеток в различных естественных субстратах и в лабораторных культурах. Метод позволяет на основании числа колоний, выросших после посева на плотную питательную среду определенного объема исследуемой суспензии, судить об исходном содержании в ней клеток микроорганизмов.

Результаты количественного определения микроорганизмов выражают в условных колониеобразующих единицах (КОЕ).

В данном случае контрольным образцом служил образец квасного сусла, полученный из концентрата квасного сусла в лабораторных условиях. В качестве тест-штамма использовали Escherichia coli (палочковидная грамотрицатель-ная бактерия) [6]. Для исследования экстрактов растительного сырья на антимикробную активность квасное сусло смешали с каждым из экстрактов из расчета его содержания в сусле в количестве 10% (шесть образцов).

Посев осуществляли поверхностным способом, используя в качестве питательной среды мясо-пептонный агар (МПА). В чашки Петри с подсушенной средой были внесены по 1 мл

5 • 2012 ПИВО и НАПИТКИ 31

каждой смеси соответствующего разведения и распределены по поверхности среды. После высева чашки Петри были помещены в термостат на 3 сут при температуре 30 °С.

Результаты параллельных высевов были суммированы, после чего определяли среднее число колоний. Количество клеток в 1 мл исследуемой смеси вычисляли по формуле

M = a  10n/ V,

где М — количество клеток в 1 мл; а — среднее число колоний, выросших после посева из данного разведения; 10n — коэффициент разведения; V — объем суспензии, взятый для посева, мл [5]. Полученные результаты занесены в табл. 2.

По результатам исследований видно, что наибольшей антимикробной активностью относительно грамотрица-тельной бактерии Escherichia coli обладает экстракт шалфея лекарственного (6,0 х 101 КОЕ/г), минимальной — трава чабреца (15,0 х 101 КОЕ/ г). Однако относительно контрольного образца квасного сусла (25,0 х 101 КОЕ/ г) все исследуемые экстракты обладают определенной антимикробной активностью относительно Escherichia coli.

Далее было изучено воздействие этих же экстрактов на рост и развитие основных контаминантов безалкогольных напитков — дрожжей вида Saccharomyces cerevisiae [7, 8], что для кваса имеет особое значение, так как хлебопекарные дрожжи применяются

при брожении, а для повышения стойкости кваса необходимы их инактивация и удаление.

В процессе данных исследований также было проведено сравнение действия экстрактов растительного сырья с действием традиционного химического консерванта сорбата натрия. Тест-микроорганизм готовили из сухих хлебопекарных дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Количество клеток в дрожжевой суспензии в первой части составляло 1000 кл / мл, во второй — 100 кл/мл суспензии. Чистая культура дрожжей Saccharomyces cerevisiae была выбрана потому, что в данном случае более ярко прослеживается действие биологически активных веществ, входящих в состав исследуемых растений.

В качестве питательной среды использовали смесь квасного сусла и экстрактов соответствующих растений в соотношении 1:10 общим объемом 30 мл, а также смесь квасного сусла и сорбата натрия в той же пропорции. Чувствительность отдельных дрожжей к водным экстрактам растений определяли с помощью чашечного метода [9]. Дрожжегенерирование вели 1,5 сут при температуре 30 °С, после чего подсчитывали число колоний. Результаты представлены в табл. 3.

Результаты данных исследований говорят о том, что максимальный рост дрожжей Saccharomyces cerevisiae наблюдали в контрольном образце квасного сусла (158 колоний), минимальный рост дрожжей — в присутствии экстракта шалфея лекарственного (две

Таблица2

Экстракт, входящий в смесь с суслом Количество экстракта в смеси, % Микробная обсемененность, КОЕ/г

Трава чабреца 10,0 15,0 х 101

Мята перечная 10,0 7,0 х 101

Трава душицы 10,0 10,0 х 101

Цветки ромашки аптечной 10,0 13,0 х 101

Плоды шиповника 10,0 9,0 х 101

Трава шалфея лекарственного 10,0 6,0 х 101

Квасное сусло (контроль) 0 25 х 101

Таблица 3

Экстракт, входящий в смесь с суслом Количество экстракта в смеси, % Дрожжи Saccharomyces cerevisiae

Трава чабреца 10,0 54,0

Мята перечная 10,0 5,0

Трава душицы 10,0 10,0

Цветки ромашки аптечной 10,0 21,0

Плоды шиповника 10,0 9,0

Трава шалфея лекарственного 10,0 2,0

Квасное сусло с сорбатом натрия (10%) — 15,0

Чистое квасное сусло (контроль) — 158,0

колонии). Добавление в контрольный образец сорбата натрия (15 колоний) дает эффект лучше, чем трава чабреца и цветки ромашки аптечной (54 и 21 колонии соответственно). Однако по сравнению с мятой перечной, шиповником и травой душицы сорбат натрия оказывает более слабое угнетающее влияние на дрожжи Saccharomyces cerevisiae.

Для выбора наиболее сильного природного антисептика, оказывающего влияние одновременно на Escherichia coli и на Saccharomyces cerevisiae, выбранного из числа исследованных в данной научной работе, построена сравнительная диаграмма (см. рисунок).

Таким образом, в соответствии с полученными данными об одновременном ингибирующем действии растительных экстрактов в отношении Escherichia coli и Saccharomyces cerevisiae по силе антимикробной активности их можно расположить следующим образом: шалфей > мята > шиповник > душица > > ромашка > чабрец.

Для разработки параметров части технологического процесса, связанной с внесением растительных экстрактов, были проведены дополнительные исследования.

Растительные экстракты не рекомендуется добавлять в квасы на стадии процесса брожения из-за изменения органолептических показателей готового продукта. Поэтому при проведении эксперимента экстракт шалфея задавали:

• в первом случае — сразу после окончания брожения (при температуре 28...30 °С);

• во втором случае — после охлаждения (при температуре 5.7 °С после осаждения дрожжей);

• в третьем случае — после дальнейшего охлаждения (при температуре 2.3 °С после осаждения дрожжей). В лабораторных условиях из концентрата квасного сусла было приготовлено три образца кваса брожения по классической технологии, а также водный экстракт шалфея вышеприведенным способом.

Далее эксперимент проводили следующим образом.

Опыт № 1. В образец кваса № 1 на стадии завершения брожения при температуре 30 °С добавляли водный экстракт шалфея в количестве 10% и температурой 60 °С. Температура экстракта выбрана с учетом соблюдения бактериальной чистоты. При этом также учитывалось, что при температуре 50 °С дрожжевые клетки теряют спо-

32 ПИВО и НАПИТКИ 5 • 2012

собность возбуждать брожение, а при температуре 70 °С дрожжевая клетка гибнет (температура коагуляции белка).

Опыт № 2. В образец кваса № 2 добавляли экстракт шалфея в количестве 10% и температурой 8 °С на стадии охлаждения кваса до температуры 6 °С после осаждения дрожжей.

Опыт № 3. В образец кваса № 3 добавляли экстракт шалфея в количестве 10% и температурой 8 °С на стадии охлаждения кваса до температуры 2...3 °С после осаждения дрожжей.

Все образцы выдерживали в одинаковых условиях при температуре 6 °С в течение 3 сут.

Микробиологическим исследованиям подвергли все три образца готового кваса: определяли наличие Escherichia coli, Staphylococcus aureus и остаточное количество Saccharomyces cerevisiae. Исследования проводили также методом высева на плотные питательные среды (чашечный метод), используя среды, соответствующие каждому виду микроорганизмов.

По той же схеме были проведены эксперименты с квасом брожения и экстрактом шиповника, с квасом брожения и экстрактом ромашки. После проведения микробиологических исследований ни в одном из образцов Escherichia coli и Staphylococcus aureus обнаружены не были. Количество же дрожжевых клеток в образцах приведено в табл. 4.

После проведения микробиологических исследований было выявлено следующее:

• ни в одном из исследованных образцов Escherichia coli и Staphylococcus aureus найдены не были;

• минимальное количество дрожжевых клеток обнаружено в образце № 1 для экстрактов шалфея и шиповника и в образце № 2 для экстракта ромашки;

• в образцах № 2 и 3 количество дрожжевых клеток колеблется в пределах, близких по своим значениям. При работе с экстрактом ромашки

стадия внесения экстракта значительного влияния на результат не оказывала.

В экспериментах с экстрактами мяты, душицы и чабреца результаты были схожи с результатами экспериментов с экстрактами шалфея и шиповника.

Таким образом, растительные экстракты шалфея и шиповника при изготовлении кваса по классической технологии необходимо вносить на стадии завершения брожения при температуре

140 120

80

40

"54"

21

5

7

11 10

"13"

9 9

2

6

2 3 4 5 6

| | Saccharomyces cerevisiae Q Escherichia coli

I

160

158

100

60

25

20

15

0

1

7

Сравнительный рост колоний Escherichia coli и Saccharomyces cerevisiae в присутствии растительных экстрактов: 1 — чабрец; 2 — мята; 3 — душица; 4 — ромашка; 5 — шиповник; 6 — шалфей; 7 — квасное сусло

Таблица 4

Экстракт Количество дрожжевых клеток в образцах готового кваса в зависимости от стадии внесения, КОЕ/г

стадия № 1 стадия № 2 стадия № 3

Шалфея 7,0 15,0 13,0

Шиповника 12,0 24,0 21,0

Ромашки 22,0 19,0 23,0

28.30 °С. При этом температура экстракта должна быть 58.60 °С.

Однако с учетом количества оставшихся дрожжевых клеток для обеспечения более длительного срока годности кваса в технологический процесс целесообразно включить процесс фильтрации.

Таким образом, на основании проведенных исследований можно сделать вывод о том, что для повышения стойкости кваса брожения, приготовленного по классической технологии, целесообразно вносить растительные экстракты шалфея, шиповника, мяты, душицы, чабреца, ромашки, обладающие антиок-сидантным и антимикробным действием, температурой 58.60 °С на стадии завершения брожения при температуре 28.30 °С.

ЛИТЕРАТУРА

1. Скрябин, В. И. Разработка технологии кваса длительного срока хранения с использованием иммобилизованных дрожжей: дис. ... канд. техн. наук: 05.18.07/В. И. Скрябин. — М., 2005. — 185 с.

2. Измоденов, А. Г. Силедия. Начало учения. Лесные соки и ягоды/А. Г. Измоденов. — Хабаровск: Хабаровское книжное изд-во, 2001. — 365 с.

3. Стрелков, В. Н. Методологические подходы к созданию гериартрических продук-

тов/В. Н. Стрелков, Г. Л. Филонова // Пиво и напитки. — 2003. — № 4. — С. 10-13.

4. Фитоосновы из флоры Беларуси в составах функциональных безалкогольных напитков/Т. М. Тананайко и [др.] // Пиво и напитки. — 2009. — № 1. — С. 40-42.

5. Слюсаренко, Т. П. Лабораторный практикум по микробиологии пищевых производств/Т. П. Слюсаренко. — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. — 82 с.

6. Продукты пищевые. Методы выявления и определения количества бактерий группы кишечных палочек (колиформных бактерий): ГОСТ 30518-97. — Введ. 01.06.1999. — Минск: Межгос. совет по стандартизации, метрологии и сертификации: Белорус. Гос. Ин-т стандартизации и сертификации, 1998. — 12 с.

7. Продукты пищевые. Метод определения дрожжей и плесневых грибов: ГОСТ 10444.1288. — Введ. 01.01.1990. — М.: Межгос. совет по стандартизации, метрологии и сертификации: Госстандарт России, 1990. — 8 с.

8. Исследование влияния растительных экстрактов на микробиологическую стойкость безалкогольных напитков/Х. К. Гаделева [и др.] // Пиво и напитки. — 2011. — № 1. — С. 28-30.

9. Технологическая инструкция по производству квасов брожения ТИ 10-04-06-179-88, Государственный агропромышленный комитет СССР, Подотдел безалкогольных напитков и пива отдела пищевой промышленности. — М., 1989. — 28 с. &

5 • 2012 ПИВО и НАПИТКИ 33