Влияние режима сбраживания пивного сусла на Содержание этанола в молодом пиве

УдК 663.44/.47

Влияние режима сбраживания пивного сусла на содержание этанола в молодом пиве

Д. В. Карпенко, д-р техн. наук, доцент; А. А. Гафоров, аспирант; Ю. А. Орлова

Московский государственный университет пищевых производств

Ключевые слова: слабоалкогольное и безалкогольное пиво; условия главного брожения; однократная и многократная аэрация пивного сусла; сбраживаемость сусла. Keywords: low- and non-alcoholic beer; conditions of main fermentation; one-time and repeated fermentation of wort; fermentability of wort.

В рамках исследований, проводимых на кафедре «Процессы ферментации и промышленного биокатализа» и посвященных разработке способа производства безалкогольного пива, было установлено, что изменение ряда параметров стадии затирания позволяет существенно снизить содержание этилового спирта в молодом и готовом пиве, однако не обеспечивает концентрацию этанола, характерную для безалкогольного пива, — 0,5 об. % и менее.

По нашему мнению, одним из наиболее перспективных с различных точек зрения является подход, базирующийся на более интенсивной аэрации сусла и обеспечивающий развитие дрожжевой популяции на стадии главного брожения в более аэробных условиях, чем при традиционном сбраживании.

Для обеспечения таких результатов некоторые исследователи предлагают насыщать сусло кислородом до высоких (50 мг/дм3 и выше) концентраций на стадии его охлаждения и осветления, т. е. до засева дрожжами [1, 2]. С нашей точки зрения, решая таким образом задачу «подавления» накопления этанола в процессе спиртового брожения, можно создать проблемы, не возникающие при производстве традиционного, алко-гольсодержащего пива.

Нами было выдвинуто предположение, что устранить указанные недостатки рассматриваемого подхода можно за счет периодической подачи кислорода не столько в сусло до засева его дрожжами (как это делается на большинстве пивоваренных заводов), сколько в уже сбраживаемую среду после введения в нее посевной дозы дрожжевых клеток. Предлагаемый метод аэрации позволит вводить кислород в сусло по мере не-

обходимости, т. е. тогда, когда газ, растворенный ранее, будет уже полностью или почти полностью утилизирован развивающейся дрожжевой популяцией.

Для изучения эффективности предлагаемого технологического приема решено было использовать лабораторную установку аэрации сусла, включающую перистальтический насос с регулируемой частотой вращения ротора для забора атмосферного воздуха и подачи его в следующие емкости. Кроме того, в ее состав были включены два сосуда, в одном из которых содержалась концентрированная серная кислота, при пропускании через которую воздух должен был обеспложиваться, а второй был заполнен стерильной водой для улавливания паров кислоты, поступающих из первого сосуда.

В серии предварительных экспериментов определено влияние параметров проведения аэрации на содержание растворенного кислорода в обрабатываемой среде ряда факторов: скорости подачи кислорода в обрабатываемую жидкую фазу; температуры обрабатываемой фазы; исходного содержания кислорода в обрабатываемой жидкой фазе.

Для контроля содержания растворенного кислорода использовали метод Винклера [3]. Было установлено, что использование вышеописанной установки не позволяет ввести в жидкую фазу более 9,5 мг/дм3 растворенного кислорода. Такого количества предположительно недостаточно для обеспечения выраженных аэробных условий при однократной обработке сусла, однако при многократных аэрациях такое количество вводимого кислорода не должно вызывать «сверхокисления» компонентов сбраживаемой среды, в то

6^2010

16

же время подавляя спиртовое брожение в большей или меньшей степени. Для проверки высказанных предположений был проведен ряд экспериментов.

В первых из них изучали влияние аэрации, проводимой различными способами, на сбраживание сусла, полученного традиционным способом.

Для приготовления сусла использовали 100%-ный ячменный солод при гидромодуле 1:5. Затирание проводили настойным способом с тремя паузами (при 52; 63 и 72 °С по 20 мин каждая) и доосахариванием (10 мин при 75 °С). Затор фильтровали через слой дробины, получая первое сусло с концентрацией сухих веществ, равной 14,8%. Кипячение сусла с хмелем вели в течение 1 ч 15 мин при норме задачи шиш-кового хмеля 22 г/дал. Через 10 мин от начала кипячения вносили 80 % этого количества, а оставшиеся 20% — за 15 мин до конца кипячения.

Концентрацию сухих веществ в охлажденном сусле доводили до 11% разбавлением холодной водопроводной водой. Полученное таким образом начальное сусло разделяли на две части, объемы которых относились как 1:2. Большую часть подвергали аэрации в течение 1 ч при скорости его подачи в жидкую фазу, равной 116 см3/ мин.

Обе части засевали суспензией производственных семенных дрожжей из расчета 10 млн клеток/см3 и начинали главное брожение при температуре 12...14 °С.

Через 15 ч после засева сусла дрожжами большую по объему часть сбраживаемой среды делили пополам. Одну половину подвергали аэрации в течение 1 ч при скорости его подачи в жидкую фазу, равной 116 см3/ мин.

Таким образом, получили три варианта: контроль, в котором насыщение сусла кислородом происходило только в процессе его охлаждения: опыт 1 — сусло дополнительно аэрировали один раз перед засевом дрожжами; опыт 2 — сусло дополнительно аэрировали дважды: в первый раз, как в опыте 1, перед засевом сусла дрожжами, во второй — через 15 ч после начала главного брожения.

В течение 7 сут в образцах ежедневно определяли видимый экстракт, а также общее число клеток дрожжей и число мертвых клеток. Полученные результаты приведены в табл. 1.

Из приведенного массива данных видно, что в начале главного брожения наиболее интенсивно развивалась популяция дрожжей в опытном варианте 2, продемонстрировавшем в первые двое

Таблица 1

Вариант Показатель Сутки брожения

0 1 2 3 4 6 7

СВ, % 11 10 8,6 6 5,4 4,4 4,2

Контроль Клеткиобщ, млн/см3 15 54 79 131,0 145,5 124,0 106,5

Клетки ,% мертв' Содержание этилового сг Н/д 14 2,5 3 6,52 4,43 6,57

шрта в молодом пиве, об. % 4,89

СВ, % 11 9,8 8,2 5,8 5,4 5 4,5

Опыт 1 Клеткиобщ, млн/см3 15 61,5 96,5 136,0 105 113,5 101,5

Клетки ,% мертв Содержание этилового а Н/д 2,4 3,1 4 4,76 4,4 5,9

шрта в молодом пиве, об. % 4,34

СВ, % 11 9,8 8 6 5,2 4,6 4

Опыт 2 Клеткиобщ, млн/см3 15 79,5 117,5 90,0 107,5 104 101

Клетки ,% мертв Содержание этилового а Н/д 2,5 2,1 4,4 3,72 3,84 6,93

ирта в молодом пиве, об. % 4,33

Таблица 2

Вариант Показатель Сутки брожения

0 1 2 3 4 6 7

СВ, % 11 10 8,0 5,6 4,4 4,5 4,3

Контроль Клеткиобщ, млн/см3 11 43,5 85 153,0 114,5 163 109

Клеткимертв, % Н/д 3,4 2,35 2,28 3,05 2,76 5,04

Содержание этилового спирта в молодом пиве, об. % 4,39

СВ, % 11 10,5 8,5 5,8 4,2 5,2 5,0

Опыт 1 Клеткиобщ, млн/см3 9 51,0 99,5 125,5 136,5 132,5 121,5

Клеткимертв, % Н/д 2,94 2,5 3,58 1,83 4,15 4,94

Содержание этилового спирта в молодом пиве, об. % 3,75

СВ, % 11 10,5 7,5 5 4,4 4,6 4,2

Опыт 2 Клеткиобщ, млн/см3 9 51 120,5 133,5 149 132,5 126

Клеткимертв, % Н/д 2,94 1,24 2,6 3,02 3 4,37

Содержание этилового спирта в молодом пиве, об. % 4,11

Вариант Показатель Сутки брожения

0 2 3 4 6 7

т °с 15 11 14 15 16 15

СВ, % 11,0 7,0 6,0 4,8 4,5 4,5

Контроль «общ, млн/мл 9,98 63,5 80,00 85,00 82,00 79,00

(без аэрации) N , % мертв Содержание этилового сп 2,50 3,94 3,75 3,83 4,27 4,43

рта в молодом пиве, об. % 3,19

СВ, % 11,0 6,8 5,7 4,6 4,5 4,5

Одна аэрация «общ, млн/мл 10,48 71,50 99,00 88,50 91,00 79,50

N , % мертв Содержание этилового сп 2,62 4,19 4,04 3,82 3,29 3,14

рта в молодом пиве, об. % 2,23

СВ, % 11,0 6,0 5,5 4,6 4,2 4,2

Три аэрации «общ, млн/мл 10,48 96,50 111,50 136,50 123,00 109,00

N , % мертв Содержание этилового сп 2,62 4,14 3,58 2,09 2,85 3,21

фта в молодом пиве, об. % 1,98

суток процесса наибольший прирост общего количества дрожжевых клеток, минимальный процент мертвых и наибольшую скорость сбраживания. В конечном итоге, именно в этом варианте достигнуто наибольшее снижение видимого экстракта, хотя наибольшее общее число клеток отмечено в контрольном образце. В целом можно заключить, что различие показателей в трех исследуемых вариантах было незначительным, поэтому окончательное решение о влиянии различных способов аэрации можно было сделать на основании определения концентрации этилового спирта в молодом пиве (см. табл. 1).

Видно, что двукратная аэрация позволила накопить в молодом пиве на 11,5% меньше этилового спирта, чем в контроле, и всего на 0,2% меньше, чем в образце с однократной аэрацией. Возможной причиной этого могли быть недостаточно «аэробные» условия развития дрожжевой популяции, т. е. недостаточная интенсивность аэрации. Для выяснения справедливости этого предположения был проведен эксперимент, в котором продолжительности аэраций были увеличены с 1 до 3 ч.

Полученные при его реализации результаты (табл. 2) противоречат данным предыдущего эксперимента и в некоторой степени теоретическим предположениям. Наибольшая степень сбраживания была достигнута в опыте 2, т. е. после двукратной аэрации. При этом однократная аэрация привела к утилизации наименьшего количества питательных веществ. Результаты определения содержания этилового спирта в образцах позволяют сделать следующие выводы. Во-первых, создание более «аэробных» условий за счет более интенсивной аэрации приводит к снижению выхода этанола, что хорошо согласуется с теоретическими выкладками. Во-вторых, переход от однократной длительной (в течение 3 ч) аэрации к двукратной не привел к снижению концентрации этилового спирта в молодом пиве, что сделало необходимым проведение дополнительных экспериментов для отработки режимов аэрации.

В следующем эксперименте сусло получали, как описано выше, за исключением того, что продолжительность доосахаривающей паузы при 75 °С составила 5 мин, а кипячение с хмелем — 1 ч 30 мин. Охмеленное сусло разбавляли водопроводной водой до 11% СВ и делили на две части, объем первой из которых равнялся 1 / 3 объема начального сусла, а второй — 2/3.

Первую часть не подвергали аэрации, используя в качестве контроля. Вторую часть аэрировали в течение 1 ч. После этого оба образца засевали суспензией производственных дрожжей так, чтобы титр дрожжевых клеток составил 10 млн/ см3. Главное брожение вели при температуре 11...16 °С в течение 7 сут. Через 15 ч после засева вторую порцию сбраживаемого сусла разделили на две равные части, одну из которых аэрировали в течение 1 ч. Эту же операцию повторяли применительно к

Таблица 3

той порции на 2-е сутки главного брожения. Таким образом, в эксперименте изучали три варианта: без аэрации (контроль); с одной аэрацией перед засевом сусла дрожжами; с тремя аэра-циями: одна перед засевом сусла и две на 1- и 2-е сутки главного брожения.

В каждом из образцов сусла ежедневно определяли общий титр и число мертвых дрожжевых клеток, а также видимый экстракт (табл. 3).

Из таблицы видно, что утилизация компонентов питательной среды была

тем интенсивнее, чем более интенсивную аэрацию применяли к суслу до начала сбраживания и по ходу процесса. В результате в варианте с тремя аэра-циями наблюдалось наименьшее содержание видимого экстракта в молодом пиве. Тем не менее мы предположили, что при повышенной аэробности среды это приводит не к увеличению концентрации этилового спирта в молодом пиве, а к более интенсивному развитию популяции, выражающемуся в увеличении количества клеток дрожжей, что подтверждается данными табл. 3.

В рассматриваемом случае в контрольном образце (без аэрации) было накоплено меньше этанола, чем в предыдущем эксперименте, в котором рассматривали влияние 3-часовой аэрации на результаты главного брожения. Тем не менее установлена существенная корреляция между интенсивностью аэрации и крепостью молодого пива. Так, при проведении трех аэраций сусла до и после засева дрожжами концентрация этилового спирта была почти на 40% ниже, чем в контроле, тогда как однократная аэрация до засева дрожжами привела к понижению этого показателя на 30%. По нашему мнению, это свидетельствовало о целесообразности создания более аэробных условий при сбраживании сусла при получении безалкогольного пива. Такая задача могла быть решена только за счет увеличения кратности аэраций при сбраживании сусла, так как ранее было доказано, что увеличение продолжительности одной аэрации не позволяет существенно повысить содержание растворенного кислорода в среде.

Для изучения данного вопроса был поставлен эксперимент, условия которого на этапе приготовления сусла были такими же, как в предыдущем, за исключением того, что для полного

18

осахаривания затора, определяемого по йодо-крахмальной пробе, потребовалось 10 мин. Охмеленное сусло разбавляли водопроводной водой до 11% СВ и делили на две части, объем первой из которых равнялся 1 / 3 объема начального сусла, а второй — 2/3. Первую часть не подвергали аэрации, используя в качестве контроля. Вторую часть аэрировали в течение 1 ч. После этого оба образца засевали суспензией производственных дрожжей так, чтобы титр дрожжевых клеток составил 10 млн/ см3. Главное брожение вели при температуре 10...16 °С в течение 8 сут. Через 15 ч после засева вторую порцию сусла разделяли на две равные части, одну из которых аэрировали в течение 1 ч. Эту же операцию повторяли применительно к той же, третьей порции на каждые, кроме третьих, сутки главного брожения. Таким образом, в рассматриваемом эксперименте изучали три варианта: без аэрации (контроль); с одной аэрацией перед засевом сусла дрожжами (образец сравнения); с периодическими аэрациями: одна перед засевом сусла и каждые сутки главного брожения (экспериментальный вариант). В каждом из вариантов сусла ежедневно определяли общий титр и число мертвых клеток дрожжей, видимый экстракт (табл. 4).

В рассматриваемом эксперименте брожение во всех вариантах шло менее интенсивно, чем в предыдущем случае. В результате по окончании главного брожения, которое длилось на сутки больше, чем в предыдущем случае, были достигнуты меньшие степени сбраживания во всех образцах. Кроме того, в условиях эксперимента не наблюдалось корреляции между интенсивностью аэрации и степенью сбраживания: наибольшее содержание видимого экс-

тракта выявлено в варианте 2 (однократная аэрация сусла перед засевом), а наименьшее — в контрольном варианте (без аэрации). При этом наиболее интенсивное развитие популяции, оцениваемое по общему титру клеток, отмечено во втором варианте. При таком положении дел наиболее объективную оценку эффективности предложенного приема (ежедневной аэрации сбраживаемого сусла) можно было провести на основании результатов определения содержания этилового спирта в молодом пиве.

Вопреки ожиданиям концентрация этилового спирта в вариантах 1 и 2 была выше, чем в предыдущем эксперименте, несмотря на более высокое содержание действительного экстракта. Более важный вывод, по нашему мнению, состоит в том, что ежедневная аэрация привела к более значимому снижению крепости молодого пива, чем двукратное проведение этой операции на стадии главного брожения. Такое снижение составило 62% по сравнению с примерно 40% ранее. Несмотря на то, что предельно допустимая концентрация этанола была превышена в 2,5 раза, предлагаемый технологический прием, с нашей точки зрения, может быть использован как эффективный инструмент снижения выхода этилового спирта при производстве безалкогольного пива в сочетании с другим или другими подходами.

Параллельно с нашими проводились исследования по разработке схемы затирания, обеспечивающей снижение сбраживаемости сусла за счет подавления активности сахарогенных ферментов затора. В нашей работе решено было изучить влияние ежедневной аэрации при сбраживании сусел с пониженными концентрациями сахаров редуцирующих веществ на содержание этилового спирта в молодом пиве.

Условия приготовления таких сусел были следующими.

При гидромодуле 1:5 готовили две серии сусел. Для получения первой из них затирали 100% ячменного солода. При производстве второй засыпь состояла из 50% ячменного солода и 50% ячменя, культивируемого в Республике Таджикистан.

Варианты каждой отличались условиями затирания:

1) делали три паузы при 50; 62; 72 °С по 20 мин каждая, затем доосахарива-ние при 75 °С до полного осахаривания по йодной пробе, но не более 10 мин;

2) процесс вели при 75.77 °С до полного осахаривания, но не более 1 ч;

Таблица 4

Вариант Показатель Сутки брожения

0 1 2 4 5 6 7 8

Т, °С 16 15 16 15 16 10 10 10

СВ, % 11,0 10,0 8,0 5,9 5,5 4,8 4,7 4,6

Контроль «общ, млн/мл 10,1 57,5 85,0 108,0 93,00 90,0 84,5 86,0

(без аэрации) N , % мертв' Содержание этилового сп 2,74 2,60 3,50 3,24 4,84 5,00 4,73 5,23

ирта в молодом пиве, об. % 3,22

СВ, % 11,0 10,5 7,5 6,7 6,0 5,2 5,0 5,0

Одна аэрация «общ, млн/мл 10,2 89,5 98,0 172,0 113,5 90,5 87,5 84,0

N , % мертв Содержание этилового сп 2,70 2,79 2,56 3,20 3,52 3,87 3,43 4,76

ирта в молодом пиве, об. % 2,36

СВ, % 11,0 10,5 7,0 5,6 5,0 4,8 4,6 4,8

Ежедневные N , ,млн/мл общ 10,2 89,5 95,0 130,5 79,5 101,5 91,5 110,5

аэрации N , % мертв Содержание этилового сп 2,70 2,79 2,10 3,07 3,77 3,94 2,75 3,60

ирта в молодом пиве, об. % 1,23

6^2010

ТЕхнОЛОГИЯ

3) начальная температура затирания составляла 75.77 °С, затем процесс вели при самопроизвольном снижении температуры в теплоизолированной емкости до полного осахаривания, но не более 1 ч.

Таким образом, всего получили шесть образцов.

После сбора первого сусла к дробине каждого варианта добавили воду температурой 83.85 °С. Ее объем составлял 1 / 3 налива, использованного при приготовлении затора. Промывные воды с содержанием сухих веществ не менее 3% присоединяли к первому суслу, остальные отбрасывали.

Охмеление вели в течение 1,5 ч при норме задачи хмеля 15 г на 1 дал и внесении его в два приема (80% через 15 мин после начала кипячения и 20% за 15 мин до конца). После отделения хмелевой дробины и охлаждения образцов сусла до 20 °С их разбавляли до одинаковой концентрации, равной 10,8% (именно эта концентрация сухих веществ наблюдалась в варианте 6 и была минимальной среди всех вариантов).

После разбавления в образцах охмеленного сусла определяли сухие и редуцирующие вещества, аминный азот, вязкость (табл. 5).

Для сбраживания решено было отобрать только варианты 4-6, так как они содержали меньше редуцирующих веществ и сахаров, как было установлено хроматографическим методом.

Каждый из вариантов разделяли на две равные части, одну из которых аэрировали только один раз — 1 ч перед засевом дрожжами так же, как в предыдущих экспериментах; вторую — в том же режиме перед засевом, затем ежедневно при сбраживании. Засев вели из расчета 1 млн клеток/мл на 1% СВ начального сусла; во время главного брожения определяли видимый экстракт, общий титр и процентное содержание мертвых клеток дрожжей. Сбраживание вели до того момента, когда содержание видимого экстракта переставало снижаться, поэтому продолжительность главного брожения в разных вариантах была различной (табл. 6).

Видно, что во всех парах, кроме вариантов 5 (контроль и опыт), аэрация, начиная с 4 сут главного брожения, обеспечила более интенсивное развитие дрожжевых популяций; во всех случаях процент мертвых клеток дрожжей был ниже при аэрации среды. В образцах молодого пива было определено содержание этилового спирта и действительного экстракта дистилляционным способом (табл. 7).

Таблица 5

100% С 50% С + 50% Я

Показатель Три паузы Т , const Т сниж 4 5 6

Вариант

1 2 3 4 5 6

РВ, % 10,9 7,6 8,9 9,7 6,9 8,6

АА, мг/см3 0,218 0,151 0,179 0,174 0,176 0,196

Вязкость, мм2/с 1,61 2,03 2,27 3,17 5,14 3,34

Таблица 6

Вариант Показатель Сутки брожения

0 1 2 4 5 6 7 8 9

Т, °С 10 6 7 6 6 7 6 7 7

Четвертый контроль СВ, % 10,8 10,5 9 7,8 5,5 5,5 5,0 5,6 5,0

мбщ 10,83 24,5 38,5 54,5 53,5 49 52 72 —

N "мерт 1,39 2,04 2,65 4,59 5,60 5,10 4,80 3,47 —

Четвертая аэрация СВ, % 10,8 10,5 9,2 6,4 5,9 5,7 4,8 4,6 4,6

N 10,83 24,5 37 61 67 52 92 73 —

N "мерт 1,39 2,04 6,75 3,28 2,23 2,88 2,17 3,42 —

Пятый контроль СВ, % 10,8 10,2 8,8 7,4 7,3 7,2 7,2 — —

мбщ 10,5 17,5 38,5 62 55,5 66,5 — — —

N "мерт 1,43 2,86 5,2 4,03 3,6 3,76 — — —

Пятая аэрация СВ, % 10,8 10,2 8,4 7,2 6,1 5,2 5,6 5,2 —

мбщ 10,5 17,5 38,5 52 45,5 51,5 55,5 — —

N "мерт 1,43 2,86 6,50 2,88 1,09 2,91 3,60 — —

Шестой контроль СВ, % 10,8 10,2 8,8 7,3 5,9 6,1 5,9 — —

N, общ N "мерт 10,78 23 32 58 59 54 — — —

1,62 2,17 3,12 3,45 2,54 5,56 — — —

Шестая аэрация СВ, % 10,8 10,2 8,2 6,9 4,2 4,9 4,6 4,8 —

мбщ 10,78 23 44 54 61 52,5 79,5 — —

N "мерт 1,62 2,17 2,27 3,70 0,82 3,80 2,52 — —

Таблица 7

Вариант

Показатель Четвертый Четвертая Пятый Пятая Шестой Шестая

контроль аэрация контроль аэрация контроль аэрация

Этанол, % 3,06 2,28 1,54 0,78 2,57 1,40

ДЭ, % 4,55 3,71 6,87 4,40 5,48 4,04

По нашему мнению, результаты эксперимента подтверждают выводы, сделанные ранее, и прежде всего то, что ежедневная аэрация позволяет существенно подавить накопление этилового спирта вне зависимости от показателей начального сусла. Однако одного этого приема недостаточно, чтобы получить безалкогольное пиво.

В свою очередь, одно только снижение концентрации сбраживаемых сахаров в начальном сусле применявшимися методами также не может обеспечить снижение крепости пива до значений, присущих безалкогольному.

Если же совместить два подхода, разрабатывавшихся параллельно, а именно снизить сбраживаемость сусла еще на стадии затирания, а затем вести главное брожение при ежедневной аэрации среды, удается приблизиться к требуемой концентрации этанола в напитке, как это наблюдалось в опытном варианте «пятая аэрация». Дальнейшее

снижение содержания этанола до необходимой величины (0,5%) может быть, по нашему мнению, достигнуто за счет повышения интенсивности аэрации (например, проведение ее не один, а два раза в сутки с той же интенсивностью подачи воздуха в среду), а также незначительного (на 10-20%) снижения плотности начального сусла.

ЛИТЕРАТУРА

1. Иванчикова, О. И. Исследование возможности получения безалкогольного пива/Е. М. Моргунова, Е. А. Цед, Г. И. Косминский // Материалы Межд. науч.-практ. конф. — Минск, 2003. — С. 61-62.

2. Косминский, Г. И. Определение оптимальных параметров процесса аэрации пивного сусла при приготовлении безалкогольного пива/Г. И. Косминский, Е. М. Моргунова, О. И. Иванчикова // Известия вузов. Пищевая промышленность. — 2006. — № 5. С. 36-37.

3. ййp//www.dchlidpark.agava.ru/Aq005.html