Влияние активного угля на степень извлечения полифенолов из пивного сусла

ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ

УДК 66.021.2.081.3

Е. В. Евдокимова, Т. М. Панова, Ю. Л. Юрьев

ВЛИЯНИЕ АКТИВНОГО УГЛЯ НА СТЕПЕНЬ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ПОЛИФЕНОЛОВ ИЗ ПИВНОГО СУСЛА

Ключевые слова: сорбция, активный уголь, полифенолы.

Изучено влияние обработки пивного сусла активным углем на степень извлечения полифенолов. В качестве исходного сырья использовали пивное сусло, активного угля - промышленный активный осветляющий уголь марки ОУ-А, ГОСТ 4453. Определены кинетические характеристики процесса адсорбции в сравнении АУ и кизельгура относительно извлечения полифенолов. Получены значения константы скорости адсорбции и предельной сорбции. Степень извлечения прямо пропорциональна продолжительности контакта с углем. После 5 минут обработки степень извлечения составила 29 %, при обработке пивного сусла модифицированным древесным углем в течение 10 мин содержание полифенолов снижается на 33 %.

Keywords: sorption, activated carbon, polyphenols.

Influence of treatment of beer wort active charcoal extraction degree of polyphenols. The quality of the raw materials used wort, activated charcoal marc OU-A, GOST 4453. Determined the kinetic characteristics of the adsorption process in comparison to activated charcoal and diatomaceous earth regarding the extraction of polyphenols. The obtained values of the rate constants of adsorption and maximum adsorption. The degree of extraction is directly proportional to duration of contact with the activated charcoal. After 5 minutes of treatment the degree of extraction amounted to 29 %, in the processing of beer wort modified charcoal duration of 10 min, the polyphenol content is reduced by 33 %.

Введение

В процессе сбраживания углеводных субстратов полифенолы являются нежелательными примесями. С одной стороны, они являются причиной коллоидного помутнения пива, т.е. снижают его качество, а, с другой стороны полифенолы снижают скорость процесса брожения.

Полифенольная фракция содержит антоцианы, производные лигнина, сложные эфиры простых фенолов. Такие полифенолы как катехины и антоцианы, попадают в пиво из солода и хмеля, а флаванолы — из хмеля. Эти вещества могут находиться как в виде полимеров, так и в виде соединений с различными сахарами.

Помутнение пива является крайне нежелательным процессом, поскольку вызывает возврат пива его производителю и, тем самым, отрицательно сказывается на экономической эффективности производства.

Целью работы является изучение влияния обработки пивного сусла активным углем на степень извлечения полифенолов.

Методические аспекты

В качестве исходного сырья использовали пивное сусло производства ООО «Дикий хмель».

Ранее на кафедре ХТДБиН были изучены сорбционные свойства модифицированных древесных углей применительно к водным растворам [1, 2]. В частности, показана возможность применения древесного угля для стабилизации пива [3]. При этом дозировки угля не превышают десятых долей процента от объема субстрата, а продолжительность обработки измеряется в минутах.

При адсорбции пограничный слой имеет избыток энергии - свободную энергию. В результате притяжения поверхностью раздела фаз молекул адсорбата свободная энергия уменьшается, т.е. процессы адсорбции энергетически выгодны.

В качестве активного угля нами выбран промышленный активный осветляющий уголь марки ОУ-А, который соответствовал требованиям ГОСТ 4453. Для угля этой марки характерно преимущественное развитие мезопор, за счет чего он способен эффективно сорбировать молекулы сравнительно крупных размеров [4].

Эффективные радиусы мезопор находятся в интервале 1,5... 100нм, удельные достигают 300...400 м2/г. Адсорбция на активных углях с хорошо развитой мезопористой структурой эффективна для сравнительно крупных молекул.

Изучение кинетических характеристик процесса адсорбции проходило в сравнении АУ и кизельгура относительно извлечения полифенолов на модельных растворах, в качестве которого использовали танин. Процесс проводился в периодических условиях.

Практически на всех предприятиях для снижения содержание коллоидных частиц в настоящее время применяется кизельгур - природный материал, состоящий из панцирей одноклеточных диатомовых водорослей.

Танин — технический или фармакопейный препарат, получаемый из растений, коры акации, ели, каштана. Представляет собой аморфный светло-жёлтый порошок, со слабым своеобразным запахом, вяжущего вкуса, растворимый в воде, этаноле и глицерине. В воде образует коллоидные

растворы, имеющие кислую реакцию и обладающие сильным дубильным действием.

Экспериментальная часть

Характер зависимости сорбции от равновесной концентрации танина в растворе (рис. 1) свидетельствует, что АУ обладает высокой активностью, в то время как кизельгур характеризуется крайне слабой сорбционной способностью.

На основании результатов эксперимента определили константу скорости адсорбции. Для АУ ее значение составило 0,022 мин-1, для кизельгура -0,0008 мин-1, что подтверждает слабую сорбционную активность кизельгура по извлечению полифенольных веществ в сравнении с АУ.

0,014

0,012

т 0,01

ё о.ооа

\ 0,006

Г 0,004

0,002

R2 =0,9339

__

R2 = 0,990В

1-1 1 --1

0,002

0,004

0,005

0,003

0,01

Равновесная концентрация, лдио. Уголь ^^-Кизельгур

1ь/л

Рис. 1- Зависимость сорбции от равновесной концентрации танина в растворе

По данным рис. 2 рассчитали предельную адсорбцию, которая для АУ составила Гтах = 0Д7-10-3 ммоль/г, для кизельгура - Гтах= 0,015-10-3 ммоль/г. Полученные нами значения предельной сорбции подтверждают значительно более высокие сорбционные характеристики АУ по извлечению полифенолов в сравнении с кизельгуром.

2000

1300 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200

у=0,6 776Х+ 64,994

у=0,203х+5 ВВ49

/

1000 1500 2000 2500

1/С

Уголь ^^ Кизельгур

Рис. 2 - График для определения предельной сорбции

Далее нами было изучено влияние дозировки угля и продолжительность контакта сусла с углем в статических условиях. В качестве объекта исследования использовали охмеленное пивное сусло, производства ООО «Дикий хмель», п. Белоярский, Свердловской области.

Рис. 3 - Влияния режима обработки пивного сусла углем на степень извлечения полифенолов

На рис. 3 показана степень извлечения полифенолов из пивного сусла при его обработке активным углем в количестве 0,1 и 0,2% от сусла. Из полученных графиков видно, что в обоих случаях степень извлечения резко возрастает в течение первых 5 минут контакта сусла с углем, после чего прирост степени извлечения замедляется. Так, при обработке пивного сусла модифицированным древесным углем в дозировке

0.1. от сусла в течение 5 минут извлекается 22% полифенолов, а при увеличении продолжительности о бработки до 10 минут - 25%. При концентрации угля 0,2% от сусла эти показатели составляют 29 и 33%, соответственно.

Из результатов проведенной работы следует:

- при использовании осветляющего активного угля для извлечения полифенолов из пивного сусла достаточна продолжительность обработки в пределах 10 минут;

- для определения влияния обработки пивного сусла активным углем на скорость брожения и качество пива, необходимо провести соответствующие исследования на стадии брожения.

Литература

1. Юрьев Ю.Л., Дроздова Н.А., Панова Т.М. Доочистка артезианской воды с применением модифицированных древесных углей. Вестник Казанского технологического университета. 2013. № 19. С. 85.

2. Дроздова Н.А., Юрьев Ю.Л. Изучение сорбционных свойств активного угля в статических условиях. Вестник Казанского технологического университета. 2013. Т. 16. № 19. С. 83-84.

3. Юрьев Ю.Л., Панова Т.М., Дроздова Н.А., Тропина К.Ю. Исследование возможности применения

древесного угля для стабилизации пива Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2010. № 5.

4. Юрьев Ю.Л. Технология лесохимических производств. Учебное пособие / Екатеринбург, 1997. Ч.1. Пиролиз древесины.

С. 120-124.

© Е. В. Евдокимова - аспирантка кафедры химической технологии древесины, биотехнологии и наноматериалов ФГБОУ ВО «Уральский государственный лесотехнический университет», yevdokimovaekaterina@gmail.com; Т. М. Панова - доцент кафедры химической технологии древесины, биотехнологии и наноматериалов ФГБОУ ВО «Уральский государственный лесотехнический университет», ptm55@yandex.ru; Ю. Л. Юрьев - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой химической технологии древесины, биотехнологии и наноматериалов ФГБОУ ВО «Уральский государственный лесотехнический университет», charekat@mail.ru.

© E. Yevdokimova, postgraduate student, Department of chemical technology of wood, biotechnology and nanomaterials, Ural State Forestry Engineering University, yevdokimovaekaterina@gmail.com; T. Panova, Associate Professor, Department of chemical technology of wood, biotechnology and nanomaterials, Ural State Forestry Engineering University, ptm55@yandex.ru; Yu. Yuryevy, doctor of technical Sciences, Professor, Head of Department of chemical technology of wood, biotechnology and nanomaterials, Ural State Forestry Engineering University, charekat@mail.ru.