Scientific journal

International Journal of Applied and fundamental research

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

В основе производства пива лежат биохимические превращения солода, микробиологические и ферментативные процессы при брожении и дображивании пива, в которых участвуют как истинные, так и чужеродные компоненты сырья и материалов, используемые в производстве. Эффективность процессов, протекающих на отдельных стадиях, зависит от температуры, состава сырья и рабочих сред, условий активации ферментов и т.п.

Состав воды, которая служит исходным сырьем и участвует в приготовлении пивного сусла и промывке солодовой дробины, влияет на эффективность отдельных стадий.

Цель исследования. Цель выполненной работы – установить влияние ионного состава воды на затирание солода, промывку дробины и переход экстрактивных веществ в сусло и промывную воду.

Материалы и методы исследования

Воду, используемую для затирания и промывания дробины, готовили искусственно: к дистиллированной воде добавляли соли кальция и магния, смешивали водопроводную воду питьевого качества с дистиллированной водой в разных соотношениях, применяли воду из системы городского питьевого водоснабжения без подготовки и водопроводную воду, прошедшую обработку нанофильтрацией на лабораторной установке с модулем ЭРН-Б-45–350, снаряженным мембраной ОПМН-П. Приготовленная заторная вода содержала хлориды и сульфаты кальция и магния в пределах 0–3,5 мг-экв/дм3, что охватывает диапазон изменения содержания солей жесткости в водопроводной воде г. Дзержинска. Определение содержания солей жесткости в исходной воде, сусле и промывной воде осуществляли трилонометрически. Оценку влияния состава воды на переход сухих веществ в сусло при затирании проводили конгрессным методом. Содержание экстрактивных веществ в сусле и воде после промывания дробины оценивали в соответствии с известными методиками [1].

Результаты исследования и их обсуждение

Рис. 1. Влияние ионного состава воды (С, мг-экв/л) на содержание экстрактивных веществ солода в сусле (В, %): 1 – от содержания хлорида кальция; 2 – от содержания сульфата кальция; 3 – от содержания сульфата магния

Затирание светлого ячменного солода на искусственно приготовленной воде разного солевого состава показало, что анионный состав воды (наличие в воде хлоридов или сульфатов при соотношении сульфат- и хлорид-ионов в использованной питьевой воде 1:4 по массе) влияет на содержание экстрактивных веществ в сусле (рис. 1).

Из графиков на рис. 1 следует, что присутствие в воде сульфат- ионов в виде сульфата кальция благоприятно влияет на гидролитические ферментативные процессы при затирании солода, поэтому выход сухих веществ в сусло на 0,5–2 % выше, чем в присутствии хлорида кальция. Это связано с тем, что сульфат кальция взаимодействует с карбонатами и щелочными фосфатами, переходящими в затор из солода, и рН затора смещается в сторону кислотности, что улучшает условия для протекания амилолиза в заторе [3]. Анионы также влияют на растворение веществ солода и проницаемость частиц оболочек зерна. Однако, высокое содержание сульфат-ионов в сусле нежелательно, так как ионы SO42– могут восстанавливаться до ионов S2–, которые участвуют в образовании диметилсульфида, придающего в концентрациях, превышающих 25–35 мкг/дм3, вкус вареных овощей [2 – 4].

Влияние катионов Са2+ и Mg2+ на содержание экстрактивных веществ в сусле представлено также на рисунке 1. Наличие в воде сульфата кальция в количестве 2–3 мг-экв/дм3 приводит к более интенсивному переходу растворимых веществ солода в сусло, благодаря защитному и активирующему действию ионов Са2+ на ферменты, особенно на α-амилазу, которая необходима для расщепления крахмала на декстрины. Ионы Са2+ повышают также активность протеолитических ферментов, обеспечивающих достаточное для брожения содержание аминного азота в сусле.

Эксперименты, проведенные на искусственно приготовленной воде, содержащей сульфаты кальция и магния (табл. 1), показали, что наиболее высокий переход экстрактивных веществ наблюдается для сусла, приготовленного на воде с содержанием солей кальция 1,8–2,5 и магния 0,4–0,6 мг-экв/дм3, и составляет 8,9–9,1 %. Содержание ионов кальция и магния в готовом сусле значительно превышает их содержание в исходной воде и составляет по кальцию 5,5–7,8 и магнию 0,45–1,05 мг-экв/дм3. Однако концентрация ионов кальция и магния в сусле изменяется в небольшом диапазоне значений, что возможно связано с образованием буферной системы, которая поддерживает рН сусла. Таким образом, при затирании соли кальция и магния солода в значительных количествах переходят в сусло, но начальное содержание этих солей в воде играет роль своеобразного катализатора биохимических процессов, обеспечивая более полный ферментативный распад крахмала и переход в сусло сахаров и других продуктов гидролиза.

Таблица 1

Влияние содержания ионов Ca2+ при постоянном содержании ионов Mg2+ на переход экстрактивных веществ солода в сусло

Кроме того, из полученных данных следует, что при увеличении концентрации ионов кальция в исходной воде в диапазоне оптимальных концентраций солей наибольшее содержание экстрактивных веществ в сусле получено при меньших концентрациях ионов магния.

Затирание солода на водопроводной воде жесткостью 4,7 мг-экв/дм3 позволило получить сусло с содержанием экстрактивных веществ 7,75 %. Снижение содержания солей жесткости путем разбавления водопроводной воды дистиллированной или использование воды, частично обессоленной на лабораторной установке нанофильтрации (табл. 2), привело к увеличению содержания экстрактивных веществ в сусле на 0,2–0,8 %, так, при затирании солода на воде, прошедшей нанофильтрацию, содержание экстракта в сусле составило 8,34–8,45 %. Следует отметить, что состав отфильтрованной воды при давлениях 10 и 15 атм не соответствует оптимальным для затирания концентрациям ионов кальция, полученным в предыдущих опытах. Такая вода может быть откорректирована путем добавления необходимого количества сульфата кальция, чтобы обеспечить соотношение ионов кальция и магния, равное 3/4,5:1.

Таблица 2

Влияние ионного состава воды на выход экстрактивных веществ при затирании

Готовый осахаренный затор подвергали фильтрованию для отделения солодовой дробины и получения сусла. Процесс проходил в две стадии: отделение первого сусла и промывание (выщелачивание) солодовой дробины водой Влажность дробины после отделения сусла составляет примерно 80 %, остаточная вода дробины содержит значительное количество растворенных веществ, и промывание дробины водой позволяет более полно извлекать экстрактивные вещества солода.

Для выщелачивания дробины использовали воду с заданным содержанием солей жесткости температурой 74°С, которая обеспечивает высокую скорость фильтрования. Искусственно приготовленную воду, содержащую сульфаты или хлориды кальция или магния, применяли для затирания солода и промывания солодовой дробины.

При затирании солода на воде, содержащей 1,9–2,6 мг-экв/дм3 СаСl2 получен наиболее высокий переход экстрактивных веществ в сусло (8,1–8,5 %), а содержание экстрактивных веществ в воде после промывания дробины составило 0,7–1,8 % (табл. 3).

Таблица 3

Затирание солода и промывание дробины водой разного состава

Близкие значения по содержанию экстрактивных веществ в сусле были получены при использовании воды, содержащей 2,0–2,5 мг-экв/дм3 CaSO4, но в воде после промывания дробины содержание экстрактивных веществ составило лишь 0,8–1,2 %.

Испытания на воде, содержащей хлорид магния, показали меньший переход экстрактивных веществ как в сусло, так и в воду после выщелачивания, тогда как в присутствии сульфата магния переход экстрактивных веществ сопоставим или превышает переход экстрактивных веществ в присутствии солей кальция.

Эффект наибольшего перехода экстрактивных веществ в промывную воду, содержащую СаСl2, может объясняться выщелачиванием горьких и дубильных веществ из оболочек солода, что отрицательно сказывается на вкусе пива [3]. Добавка сульфата кальция (использование гипсованной воды) положительно влияет на экстракцию, т.к. способствует снижению рН жидкой фазы и затрудняет выщелачивание из дробины дубильных веществ, полифенольных соединений, кремниевой кислоты.

На рис. 2 показано изменение содержания экстрактивных веществ в воде после промывания дробины при разном содержании сульфатов кальция и магния в исходной воде. Состав сусла, полученного при затирании, приведен в табл. 1.

Рис. 2. Зависимость содержания экстрактивных веществ в воде после промывания дробины от солевого состава промывной воды при содержании ионов магния, мг-экв/л: 1 – 0,4; 2 – 0,6; 3 – 1,2

Установлено, что при постоянном содержании ионов Mg2+ в воде и увеличении содержания ионов Са2+ от 0 до 3 мг-экв/дм3 наибольшее содержание экстрактивных веществ в воде (1,6–2,3 %) наблюдается при содержании ионов Са2+ от 2 до 3 мг-экв/дм3, что, возможно, связано с извлечением полифенолов и других нежелательных соединений, отрицательно влияющих на органолептические характеристики и стойкость готового пива. Больший интерес для промывания дробины представляет вода, содержащая до 0,5 мг-экв/дм3 Са2+ и 0,4 мг-экв/дм3 Mg2+. Содержание экстрактивных веществ в сусле при затирании на данной воде составляет 8,4 % и относительно высокое содержание экстрактивных веществ в воде после промывки свидетельствует о переходе в промывную воду преимущественно сахаров и других водорастворимых веществ.

Влияние содержания и соотношения ионов кальция и магния в промывной воде на выщелачивание дробины связано с тем, что при промывании дробины продолжаются в некоторой степени ферментативные процессы с участием α-амилазы, активность которой зависит от присутствия ионов Са2+. Вода для промывания не содержит растворенных сахаров, декстринов, азотсодержащих и других веществ солода, поэтому ускоряются диффузионные и осмотические процессы перехода веществ из жидкой и твердой фазы дробины. Буферность жидкой фазы дробины в ходе промывки понижается, что ведет к ускорению растворения веществ дробины. Содержание ионов магния в воде после промывания дробины больше, чем в исходной воде. Например, при содержания ионов кальция в исходной воде 0–3 мг-экв/дм3 и Mg2+ 0,4 мг-экв/дм3 в воде после промывания содержание Mg2+ 0,7–1,1 мг-экв/дм3; при содержании в исходной воде Mg2+ – 0,6, в промывной воде содержится 1,4–2,2 мг-экв/дм3. Следовательно, при промывании дробины интенсивно растворяются соли магния, присутствующие в оболочке солода. Содержание ионов кальция в воде после промывания при невысоком начальном содержании (0–0,8 мг-экв/дм3) возрастает до 0,9–1,4 мг-экв/дм3, а при более высоком начальном содержании падает на 0,1–0,7 мг-экв/дм3, что возможно за счет образования малорастворимых солей кальция.

Таким образом, состав исходной воды, а именно содержание солей кальция и магния, влияет на содержание экстрактивных веществ в сусле на стадии затирания и в воде после промывания солодовой дробины.

Выводы

На стадии затирания светлого ячменного солода для получения высокого содержания экстрактивных веществ в сусле следует применять воду, содержащую 1,8–2,6 мг-экв/дм3 Са2+ и 0,4–0,6 мг-экв/дм3 Mg2+, а промывание солодовой дробины водой наиболее эффективно при содержании ионов Са2+ до 0,5 мг-экв/дм3, Mg2+ – 0,4 мг-экв/дм3.Для подготовки воды наиболее подходит нанофильтрация, которая позволяет снизить общее солесодержание воды. Вода непосредственно после фильтрационной установки может подаваться для промывания дробины, а для затирания ее состав должен корректироваться добавлением сульфата или хлорида кальция в зависимости от анионного состава воды.