Комплексные способы интенсификации сбраживания высокоплотного сусла

Комплексные способы интенсификации сбраживания высокоплотного сусла

Д. В. Карпенко, Е. О. Чуланов

Московский государственный университет пищевых производств

Высокоплотное пивоварение отличается от классической технологии более высокой экономической эффективностью производства. Без существенных вложений в расширение производственных мощностей завода можно значительно увеличить выпуск готового пива, что особенно актуально в летний период, когда спрос значительно повышается. В классической технологии начальное сусло имеет плотность 10-13 % СВ. Для повышения концентрации сухих веществ в сусле можно использовать ряд технологических приемов — уменьшить количество промывных вод, увеличить время варки с хмелем; такие приемы, естественно, существенно повышают себестоимость производства — вырастают потери экстракта и/или энергозатраты.

Сегодня в промышленном масштабе используют другие приемы, обеспечивающие существенное снижение издержек. Прежде всего, это применение мальтоз-ной патоки в качестве добавки, повышающей плотность сусла. Использование мальтозной патоки предусматривает получение сусла с обычной плотностью и дальнейшее увеличение экстракта задачей расчетного количества сахара, которая, как правило, происходит на стадии варки с хмелем, так как поставляемое сырье не всегда отвечает высоким микробиологическим требованиям пиво-производства. В связи с этим возникает технологическая проблема на стадии варки с хмелем [1], когда через кипятильник проходит сусло с другими гидродинамическими характеристиками, с повышенным содержанием экстрактивных веществ.

Очевидно, что технологические проблемы возникают и на стадии брожения. Культуре дрожжей приходится развиваться в сусле с высоким содержанием сухих веществ, что обусловливает высокое осмотическое давление, которое плохо переносится дрожжевой популяцией. На заключительном этапе дрожжи оказываются в среде с повышенной концентрацией этанола [2] (этанольный стресс) и других продуктов жизнедеятельности. Кроме того, при использовании мальтозной патоки возникает дефицит аминного азота [1], который необходимо компенсировать. Вышеперечисленные негативные фак-

торы могут снизить скорость и глубину сбраживания, ухудшить характеристики дрожжей, предназначенных для повторного применения. Поэтому некоторые пивоваренные предприятия могут работать только на чистой культуре без использования семенных дрожжей.

Для интенсификации сбраживания плотного сусла допустимо повышать температуру в конце главного брожения. При этом необходимо учитывать, что осаждение клеток даже хорошо флокулирующих дрожжей при повышенной температуре может значительно замедлиться [1]. Кроме того, повышение температуры для интенсификации брожения отрицательно сказывается на органолептических характеристиках пива. В связи с этим можно использовать технологию удаления нежелательных летучих веществ (высшие спирты, диацетил, серосодержащие компоненты) с помощью продувки СО2. Такой прием может носить точечный характер, когда концентрация нежелательного компонента максимальна [3].

Ранее подобрали методы по снижению воздействия ряда факторов, негативно влияющих на сбраживаемость сусла. Был получен протеолизат дрожжей с высоким содержанием аминного азота, разработана процедура обработки дрожжей пероксидом водорода, которая приводит к росту этанольной и осмоустойчивости дрожжевой суспензии [4]. Одним из лучших способов интенсификации сбраживания сусла стал метод дробной задачи мальтозы в бродящее сусло, при котором содержание сухих веществ в среде не превышает заданного значения (мы выбрали концентрацию СВ, равную 11 %).

На следующем этапе работы было проведено сопоставление эффективности различных способов активации сбраживания. Кроме того, были изучены результаты совместного применения различных приемов, интенсифицирующих сбраживание «плотного» и «высокоплотного» сусла.

Оптимизация процесса за счет дробной задачи мальтозы приводит к значительному снижению осмотического давления на мембрану клетки, интенсифицируются процессы жизнедеятельности дрожжей. Тем не менее высокая концентрация эта-

нола в конце главного брожения может оказать негативное влияние на физиологическое состояние клетки. Обработка дрожжевой суспензии пероксидом водорода в концентрации 100 ммоль позволяет адаптировать клетку как к осмотическому, так и к этанольному стрессу. Мы изучили возможность оптимизации процесса сбраживания плотного сусла за счет совместно проводимых дробной задачи мальтозы и предобработки за-севных дрожжей раствором пероксида водорода. В качестве образца сравнения использовали вариант, в котором обработанными дрожжами засевали сусло, плотность его доводили до заданного значения (19 %) внесением всего необходимого количества мальтозы в 11%-ное сусло до начала брожения. Использовали производственные дрожжи расы Rh первой генерации, сусло плотностью СВ 11 % получали из охмеленного солодового экстракта Finlandia, Traditionell (производство Финляндия), разбавляя его водопроводной водой до плотности 11 %. В контрольном варианте содержание СВ доводили мальтозой до 19 % до задачи дрожжей. В опытном варианте засевали сусло с концентрацией 11 % СВ.

Мальтозу добавляли ежедневно. Ее количество зависело от убыли сухих веществ за минувшие сутки и было таким, чтобы после внесения сахара суммарная плотность сусла не превышала установленного значения — 11 %.

Общее количество мальтозы, добавленной в процессе главного брожения, было таким, что суммарное количество сухих веществ составило 19 %, как и в контроле, где все они присутствовали в исходной среде.

В ходе главного брожения определяли видимый экстракт, общий клеточный титр и количество живых клеток.

Предобработка раствором пероксида водорода представляла собой 30-минутную выдержку разброженной суспензии дрожжей после добавления пероксида водорода (начальная концентрация пе-роксида водорода в суспензии дрожжей составляла 100 ммоль/дм3). В эксперименте были изучены следующие варианты:

дробная задача мальтозы, необработанные дрожжи;

дробная задача мальтозы, дрожжи обработаны пероксидом водорода;

единовременная задача мальтозы, необработанные дрожжи (контроль);

единовременная задача мальтозы, дрожжи обработаны пероксидом водорода.

Сусло засевали из расчета 11 млн живых клеток на 1 см3 сусла. Сбраживание вели при температуре 13...14 °С в течение 14 сут (табл. 1, 2, 3).

В контрольном варианте с единовременной задачей мальтозы результаты ока-

Таблица 1

Брожение, сут Видимый экстракт, %, по вариантам

1 2 3 1 4

0 19,0 19,0 19,0 19,0

1 16,5 16,4 15,6 15,4

2 13,8 13,7 11,9 11,5

3 11,4 11,3 9,3 8,8

4 9,5 9,4 8,1 7,4

5 8,1 8,0 7,3 6,5

7 6,2 6,1 6,4 5,4

8 5,6 5,4 6,2 5,2

9 5,2 5,0 6,0 5,0

10 4,9 4,7 5,9 4,8

11 4,7 4,5 5,9 4,7

12 4,6 4,4 5,9 4,6

14 4,6 4,3 5,9 4,6

Таблица 4

Брожение, сут Видимый экстракт, %, по вариантам

1 2 3 4 5 6

0 19,0 19,0 19,0 19,0 19,0 19,0

1 16,5 16,4 16,4 15,4 15,4 15,3

3 11,4 11,3 11,3 9,1 8,9 8,9

4 9,4 9,4 9,3 7,8 7,6 7,6

5 8,1 8,1 8,0 6,8 6,6 6,6

6 7,0 7,0 6,9 6,0 5,8 5,9

7 6,1 6,1 6,0 5,5 5,2 5,4

8 5,6 5,6 5,5 5,3 5,1 5,3

10 4,8 4,7 4,8 5,0 4,8 5,0

11 4,6 4,5 4,6 4,9 4,7 4,9

12 4,5 4,3 4,5 4,9 4,6 4,8

13 4,5 4,2 4,4 4,9 4,6 4,8

Таблица 2

Брожение, сут Общий титр клеток, млн/см3, по вариантам

1 2 3 4

0 12 15 12 15

1 22 30 16 22

2 30 38 20 28

3 40 48 30 38

4 47 53 44 53

5 50 58 47 52

7 52 56 40 44

8 45 49 40 42

9 45 51 35 39

10 37 42 30 28

11 32 35 23 25

12 15 23 11 19

14 10 9 3 4

Таблица 5

Брожение, сут Общий титр клеток, млн/см3, по вариантам

1 2 3 4 5 6

0 12 12 12 12 12 12

1 25 27 25 19 23 26

3 35 44 40 28 31 29

4 40 51 46 37 42 38

5 45 55 49 39 43 44

6 48 54 54 42 45 46

7 52 58 62 46 48 51

8 41 55 57 40 44 45

10 40 44 42 35 40 37

11 36 40 36 21 29 24

12 23 35 27 15 23 22

13 16 25 23 13 18 15

Таблица 3

Брожение, сут Количество жизнеспособных клеток, млн/см3, по вариантам

1 2 3 4

0 11 11 11 11

1 20 25 14 17

2 26 32 17 23

3 34 42 25 33

4 41 46 33 44

5 43 49 35 41

7 34 45 23 31

8 23 30 17 20

9 22 29 16 17

10 17 23 10 12

11 13 16 7 10

12 7 10 3 7

14 4 4 1 1

Таблица 6

Брожение, сут Количество жизнеспособных клеток, млн/см3, по вариантам

1 2 3 4 5 6

0 11 11 11 11 11 11

1 22 24 22 16 20 22

3 30 38 35 22 27 24

4 34 48 40 29 33 31

5 37 47 40 29 35 32

6 35 42 43 28 32 32

7 33 38 38 27 33 31

8 25 35 35 16 19 —

10 22 23 25 14 17 16

11 18 21 20 9 14 15

12 12 18 14 6 10 9

13 8 14 12 5 8 7

зались неудовлетворительными (видимый экстракт на 14-е сутки 5,9 % СВ). В то же время после предобработки дрожжевой суспензии пероксидом водорода сбраживание сусла с дробной задачей мальтозы показало хорошие результаты. Разница видимого экстракта на 14-е сутки составила 1,6 % в абсолютном выражении (или 37 % в относительном) по сравнению с контролем. Состояние дрожжевой суспензии, предобработанной перокси-дом водорода, было удовлетворительным и при сбраживании 19 % сусла: 1,3 % — абсолютная разница значений видимого экстракта (28 % — относительная). Можно утверждать, что предобработка перок-сидом водорода положительно влияет при сбраживании плотного и высокоплотного сусла, когда дрожжи нуждаются в адаптации. Но и при дробной задаче мальтозы, когда осмотическое давление некритично для дрожжевых клеток, предобработка пероксидом интенсифицирует процесс сбраживания (относительная разница 6,9 %, или 0,3 % в абсолютном выражении) по сравнению с вариантом 1.

Разница в количестве жизнеспособных клеток в вариантах 2-3-й на 7-е

сутки брожения составила 49 %. Такая большая разница в состоянии дрожжевой популяции говорит о целесообразности совместного использования двух методов интенсификации: дробной задачи мальтозы в процессе сбраживания и предобработки дрожжевой суспензии пе-роксидом водорода перед засевом сусла.

Как уже было отмечено, сбраживание плотного сусла, полученного с использованием мальтозной патоки, несет в себе технологический риск из-за дефицита аминного азота. В качестве добавки для введения в плотное сусло была выбрана аспарагиновая кислота, которая относится к группе быстроусвояемых дрожжевой клеткой аминокислот, и фер-ментолизат (протеолизат), полученный из дрожжевой суспензии с применением ферментного препарата Протосубтилин Г10х. Такой ферментолизат представляет собой смесь аминокислот и низкомолекулярных полипептидов.

В опытные варианты добавляли аспарагиновую кислоту или протео-лизат до содержания аминного азота 500 мг/дм3. В исходном сусле плотностью 11 % содержание аминного азота

составило 320 мг/дм3, после доведения мальтозой до 19 % содержание аминного азота составило 280 мг/дм3.

Главное брожение проводили в условиях, аналогичных тем, в которых вели предыдущий эксперимент.

Таким образом, в эксперименте изучали шесть вариантов:

дробная задача мальтозы без добавления азотистых веществ (СВ 11 %);

дробная задача мальтозы с добавлением аспарагиновой кислоты (СВ 11 %);

дробная задача мальтозы с добавлением ферментолизата (СВ 11 %);

единовременная задача мальтозы без добавления азотистых веществ (СВ 19 %);

единовременная задача мальтозы с добавлением аспарагиновой кислоты (СВ 19 %);

единовременная задача мальтозы с добавлением ферментолизата (СВ 19 %).

Полученные результаты приведены в табл. 4, 5 и 6.

Наилучшие результаты выявлены в вариантах с дробной задачей мальтозы и добавлением аспарагиновой кислоты. Вообще, в трех вариантах, в которых

6 • 2008

21

мальтозу задавали в несколько приемов, сусло сброжено глубже. Как и ранее, процесс сбраживания был значительно стабильнее. Суммарная убыль экстрактивных веществ за весь период главного брожения в вариантах 1, 2 и 3 на 14-е сутки, когда сбраживание сусла практически прекратилось, была больше в среднем на 3 %, чем в вариантах 4, 5 и 6, что свидетельствует о более высокой бродильной активности дрожжей при дробном введении дополнительного экстракта.

Данные табл. 5 на первый взгляд противоречат динамике изменения видимого экстракта, так как, например, на 8-е сутки главного брожения лучшие показатели по общему титру показали опыты с добавлением ферментолизата (как в опыте с дробной задачей мальтозы, так и с разовой). С другой стороны, очевидно, что с 3-их по 6-е сутки дрожжевая популяция развивалась значительно интенсивнее в опытах, где в качестве питательной добавки использовалась аспарагиновая кислота. На 13-е сутки брожения количество клеток в надосадочном слое больше в опытах с добавлением аспарагиновой кислоты (25 и 18 млн кл/см3), что говорит о ее благоприятном влиянии на дрожжевую популяцию.

В то же время необходимо учитывать, что применение индивидуальной аминокислоты в промышленном масштабе слишком затратно. Степень интенсификации главного брожения при использовании ферментолизата с целью повышения содержания в сусле с высокой концентрацией сухих веществ содержания аминного азота позволяет сделать вывод о целесообразности такого приема. Уровень усваиваемых дрожжами азотистых веществ в ферментолизате может быть повышен при оптимизации условий получения такого препарата. Альтернативой может быть незначительное повышение дозировки самого ферментолизата, вводимого в сусло.

В варианте 2 на 4-е сутки получено максимальное значение концентрации живых клеток (94 %), что превышает процент живых клеток при засеве. Минимальный процент живых клеток (38 %) наблюдался на 13-14-е сутки в варианте 4, в котором дрожжевая популяция была в худших условиях.

Образцы молодого пива, полученные в рассматриваемых экспериментах, дображивали в течение 3 нед при температуре 1...3 °С. После этого определяли органолептические показатели (вкус, аромат, прозрачность) и содержание этанола как ключевого показателя полноты сбраживания. Содержание этанола показано в табл. 7 и 8.

Практически во всех вариантах удалось добиться содержания этилового

Таблица 7

Новая книга

Показатель 1 2 3 4

Этанол, об. % 8,2 8,4 7,7 8,2

Таблица 8

Показатель 1 2 3 4 5 6

Этанол, об. % 8,1 8,2 8,2 7,8 8,0 7,9

спирта более 8 %, исключение составила часть образцов, полученных при единовременной задаче мальтозы, где дрожжевые клетки подвергались наибольшему осмотическому стрессу с начала брожения, дрожжи не были адаптированы к стрессу, а дефицит аминного азота не был компенсирован. Максимальное содержание этанола (8,4 об. %) отмечено в варианте с дробной задачей мальтозы и с предобработкой дрожжевой суспензии раствором пероксида водорода. Органолептика опытных образцов не уступала контрольным.

На основании полученных данных можно заключить, что предложенные методы интенсификации главного брожения, а именно добавление в сусло аминного азота в виде протеолизата или аспарагиновой кислоты или предобработка дрожжевой суспензии перок-сидом водорода компенсируют дефицит аминного азота и повышают устойчивость клеток к высокому осмотическому давлению в начале главного брожения. Использование дробной задачи мальтозы в ходе главного брожения позволяет проводить процесс равномерно, избегая воздействия высокого осмотического давления на дрожжевую клетку. В результате повышается степень сбраживания плотных и высокоплотных сусел и/или сокращается продолжительность стадии главного брожения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Стюарт Г. Высокоплотное пивоварение //Спутник пивовара. 2000. Весна. С. 27—35.

2. Fernandes S., Machuca N., Gonzalez M. G., Sierra J. A. Accelerated fermentation of high-gravity worts and its effect on yeast performance//Ame-rican society of brewing chemists. 1985. Vol. 43. No. 2. P. p. 109-113.

3. Scott J. A., Trotin M., Daugulis A. J. Removal of volatiles from very-high-gravity beer fermentations by gas (CO2) stripping//American society of brewing chemists. 1997. Vol. 55. No. 1. P.p. 16-19.

4. Чуланов Е. О., Карпенко Д. В. Исследование воздействия перекиси водорода на интенсивность сбраживания дрожжами плотного и высокоплотного сусла//Сб. материалов пятой юбилейной школы-конференции «Высоко-эффекивные пищевые технологии, методы и средства для их реализации». — M., 2007. С. 221-225. &

«Фруктовые и овощные соки»

Авторский коллектив под рук. У. Шобингера

В уникальном научно-практическом справочном издании, подготовленном ведущими специалистами мировой соковой индустрии, представлены все аспекты производства фруктовых и овощных соков, нектаров и сокосо-держащих напитков — от переработки сырья до розлива.

Подробно представлены: производство соков прямого отжима и восстановленных, концентрированных соков; технологическое оборудование для переработки фруктов и овощей; технологии стабилизации и осветления соков; получение концентрированных ароматобразу-ющих веществ; технологии консервирования соков; подготовка и восстановление соков; изготовление нектаров и сокосодержащих напитков, а также их розлив, упаковка и этике-тирование.

Большое внимание уделено физико-химическому составу фруктов, овощей и соков из них; утилизации отходов производства, включая очистку сточных вод, а также микробиологическим свойствам соков. Отдельный раздел посвящен методам анализа соков, их идентификации, экспертной оценке и способам выявления фальсификаций. Приведен подробный обзор национальных и международных нормативных документов, в том числе международных стандартов Комиссии Codex Alimentarius, а также основного стандарта, применяемого в ВТО для регулирования производства и обращения соков на мировом рынке — Единого стандарта Codex Alimentarius на фруктовые соки и нектары (CODEX STAN 247-2005), и Директивы Европейского союза на фруктовые соки и однородные продукты для питания человека (Директива 2001/112/ ЕС).

Издание предназначено для специалистов предприятий по переработке фруктов и овощей, производству и розливу соков прямого отжима, розливу восстановленных и концентрированных соков, безалкогольных и слабоалкогольных напитков, для поставщиков сырья и оборудования индустрии напитков, для сотрудников органов контроля и надзора, научных организаций, органов по сертификации и стандартизации, также таможенной службы, научных специалистов, студентов высших учебных заведений.

Заявки присылайте по факсу: 8 (495) 607-20-87.