Способ обезгорчивания пивных дрожжей

Изобретение относится к технологии переработки дрожжевой биомассы с целью ее обезгорчивания. Способ заключается в том, что дрожжи, выведенные из процесса приготовления пива, разводят водой, добавляют гидрокарбонат натрия, полученную суспензию пропускают через реактор с гидроакустическим преобразователем при температуре 5-35°С. Это позволяет обеспечить эффективное удаление с поверхностных структур клеток пивных дрожжей специфических веществ, переходящих в пиво из хмеля.

 

Изобретение относится к технологии переработки дрожжевой биомассы и получения пищевых продуктов, а более точно изобретение касается способа обезгорчивания пивных дрожжей с целью их дальнейшего использования для получения пищевого биологически активного продукта переработки дрожжей, пригодного для использования в качестве профилактического средства, а также рекомендуемого для использования в пищевой промышленности с целью повышения биологической ценности производимых продуктов питания, пригодного для использования в косметологии и микробиологической промышленности.

Горечь пивных дрожжей обусловлена специфическими веществами, переходящими в пиво из хмеля и в значительных количествах сорбируемыми поверхностными структурами дрожжевых клеток. Горечь, придающая пиву характерный вкус, далеко не всегда приемлема в продуктах переработки пивных дрожжей.

Известны способы обезгорчивания пивных дрожжей, заключающиеся в том, что высвобожденную из процесса приготовления пива дрожжевую массу:

- обрабатывают раствором щелочи с последующей ее нейтрализацией кислотой [1], однако при этом биологически ценные составляющие пивных дрожжей испытывают изменения за счет взаимодействия со щелочью, а дрожжевая масса оказывается обогащенной солями-продуктами взаимодействия щелочи с кислотой. Последнее можно исправить дополнительной промывкой дрожжевой массы водой, но при этом теряются растворимые компоненты биологически активного комплекса веществ, содержащегося в пивных дрожжах;

- обрабатывают раствором щелочи с температурой 2-30°С при рН 9-11 в течение 1 минуты [2], что делает метод практически невоспроизводимым в промышленных масштабах;

- промывают в течение 6-12 минут раствором хлористого натрия с температурой 45-55°С [3] или трижды водой и после первой промывки смешивают с 0,8-1,2% раствором хлористого натрия и выдерживают в течение 1,0-1,5 часа при постоянном перемешивании [4], однако при этом изменяются свойства содержащихся в пивных дрожжах термолабильных биологически активных соединений, теряются растворимые компоненты биологически активного комплекса веществ пивных дрожжей;

- подвергают комплексному действию ферментов: панкреатина, папаина, бактериальной амилазы при температуре 35-60°С [5], что усложняет и удорожает конечный продукт, приводит к изменению свойств содержащихся в нем термолабильных биологически активных соединений, а также приводит к появлению в нем посторонних продуктов ферментативных реакций, не характерных для пивных дрожжей;

- подвергают дрожжевую массу прессованию, промывке раствором бикарбоната натрия (1,5-2,0 кг/м³ суспензии), сепарации, корректировке рН, сушке с наполнителем на распылительной сушилке [6], однако, повышенное содержание бикарбоната требует корректировки рН, или, иными словами, добавления кислоты, а при дальнейшей промывке, теряются растворимые компоненты биологически активного комплекса веществ, содержащегося в пивных дрожжах;

- подвергают дрожжевую суспензию промывке раствором бикарбоната натрия (2,0 кг/м³ суспензии) в течение 30 минут, сепарации, промывке от бикарбоната натрия [7], однако при промывке теряются растворимые компоненты биологически активного комплекса веществ, содержащегося в пивных дрожжах. Эти потери и длительность операции обезгорчивания снижают экономическую эффективность предложенного решения.

Известны способы воздействия на суспензию дрожжей ультразвуком:

- с частотой от 22 кГц и выше и высокой интенсивностью, а следовательно, генерируемым электромеханическим способом на одной из разрешенных МЭК резонансных частот и предназначенного для разрушения (лизиса) клеток [8], но не пригодного для эффективного щадящего процесса обезгорчивания, обеспечивающего лишь удаление обладающих горьким привкусом веществ с поверхности остающихся целыми клеток пивных дрожжей;

- акустическими воздействиями в диапазоне 20-2-10 Гц с использованием роторно-пульсационного аппарата [9], однако роторно-пульсационные аппараты, сочетающие в себе принципы работы диспергатора, гомогенизатора и центробежного насоса предназначены для воздействия комбинацией пульсационных, ударных и других гидродинамических явлений, изменяющих физико-механические свойства производимых продуктов - тонкого измельчения, многократного перемешивания многокомпонентных (жидких и сухих) сред с целью приготовления высокодиспергированных, гомогенизированных жидких эмульсий и суспензий, многокомпонентных составов из трудносмешиваемых жидкостей и т.д. и не могут эффективно использоваться для контролируемого щадящего воздействия на клетки, в частности на клетки дрожжей с целью десорбции с их неповрежденной поверхности веществ, придающих им горький привкус;

- акустическими воздействиями с частотой не ниже 10 кГц и интенсивностью, достаточной для разрушения дрожжей в суспензии [10], однако предлагаемый метод не пригоден для обезгорчивания пивных дрожжей, так как выделить из лизата вещества, ответственные за горький привкус пивных дрожжей, без значительных дополнительных затрат и существенных потерь биологически активных составляющих практически невозможно;

- акустическими воздействиями в диапазоне частот 15-20 кГц с целью добавить питательные вещества и консерванты в целевой кормовой продукт и повысить его выход. Однако, судя по приведенным данным, в заявке используются акустические воздействия, генерируемые электромеханическим способом на одной из разрешенных МЭК резонансных частот и предназначенного для разрушения клеток интенсивного перемешивания среды, [11], но не пригодного для эффективного щадящего процесса обезгорчивания, обеспечивающего лишь удаление обладающих горьким привкусом веществ с поверхности остающихся целыми клеток пивных дрожжей.

Указанные способы либо не гарантируют получения целевого продукта, свободного от посторонних веществ, образовавшихся в процессе реализации этих способов, либо сопряжены с потерей части ценных биологически активных компонентов пивных дрожжей.

Задачей настоящего изобретения является эффективное удаление с поверхностных структур клеток пивных дрожжей специфических веществ, переходящих в пиво из хмеля и обеспечивающих выраженный горький привкус пивным дрожжам и продуктам их дальнейшей переработки.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является «Способ получения пищевого биологически активного продукта переработки дрожжей» [12], предполагающий очистку пивных дрожжей от примесей, в том числе хмелевых смол, для чего водную суспензию дрожжей смешивают в соотношении 1:1 с 2,0%-ным раствором гидрокарбоната натрия и в течение 15 минут дважды подвергают ультразвуковому воздействию, имеющему частоту ультразвуковых колебаний от 18 до 44 кГц и плотность акустической энергии от 10 до 5·10⁵ Вт/м³, однако в предлагаемой заявке, в отличие от других близких решений, и в частности, от прототипа:

- используется гидродинамический источник ультразвука, генерирующий акустическую энергию более дешевую, чем ультразвуковые электромеханические преобразователи, использованные в прототипе [13];

- используется гидродинамический источник ультразвука, генерирующий акустические колебания в жидкой среде в широком диапазоне частот[14], тогда как в прототипе использован ультразвук в диапазоне от 18 до 44 кГц, излучаемый электромеханическим излучателем с одной из числа разрешенных МЕК (Международной электротехнической комиссией) строго фиксированных частот [15]. Эти частоты не могут быть любыми, чтобы не создавать трудно идентифицируемые электромагнитные помехи произвольной частоты. В связи с этим, частоты излучения промышленных электромеханических генераторов акустических колебаний далеко не всегда соответствуют требованиям оптимизации условий воздействия и для достижения желаемого эффекта мощность излучения (на разрешенной частоте) приходится по возможности увеличивать;

Гидродинамические источники ультразвука не подпадают под ограничения МЭК и могут генерировать колебания любых частот, ограниченных лишь техническими особенностями излучателя. При этом они во всех случаях излучают колебания в широком диапазоне спектра (от сотен герц до десятков кГц), а амплитуда, в требуемой для оптимизации технологического процесса части спектра, может быть повышена за счет резонанса при совпадении частот автоколебаний в натекающей из сопла струе и частоты собственных колебаний препятствия. Резонансные кривые в данном случае значительно сглажены. Как сопло, так и препятствие могут иметь самые различные параметры, что, однако не меняет принципа генерации колебаний и качественно равнозначно для всех конструкций гидроакустических излучателей.

Так, любой гидродинамический источник ультразвука создает относительно равномерное (по плотности акустической энергии) поле в рабочем объеме, тогда как электромеханические преобразователи, использованные в прототипе, создают ультразвуковые поля с неравномерно распределенной энергией, что приводит к появлению облаков кавитационных полостей, приводящих к нерациональной потере энергии, к неравномерному воздействию на обрабатываемый объект и сильной кавитации в отдельных зонах поля излучения, обуславливающей возникновение в жидкости химически активных частиц, ударных волн и микропотоков с высокими градиентами скоростей. В этих условиях наблюдается инактивация многих биологически активных веществ: энзимов, витаминов и т.д. Использование гидродинамического источника ультразвука позволяет создать более мягкий, чем в прототипе, режим десорбции с поверхностных структур клеток пивных дрожжей специфических соединений, обеспечивающих выраженный горький привкус с применением бикарбоната натрия в концентрациях ниже нижнего предела, использованного ранее в прототипе и других заявках для обезгорчивания пивных дрожжей, что позволяет снизить затраты воды и времени на последующую промывку дрожжей и сохранить в них больше биологически активных веществ. Обработанные в поле гидродинамического источника ультразвука, в растворе бикарбоната натрия (0,25-0,5 кг/м³ суспензии), дрожжи быстро седиментируют, а смытые с них горечи всплывают, концентрируются на поверхности в виде пены и удаляются декантацией, что позволяет избежать последующей промывки и при этом потерь биологически активных веществ.

Поставленная задача решается заявленным способом, включающим очистку исходной дрожжевой биомассы путем промывания в слабом растворе бикарбоната натрия в акустическом поле гидродинамического источника ультразвука при щадящих режимах обработки.

Полученный заявленным способом конечный продукт представляет собой пивные дрожжи, лишенные горечи, пригодные для дальнейшей переработки в ценные, имеющие высокие органолептические характеристики биологически активные добавки к пище, а также ингредиенты пищевых композиций с известным профилактическим эффектом, присущим пивным дрожжам [16].

Реализация заявляемого способа осуществляется обработкой массы пивных дрожжей акустическим полем гидродинамического источника ультразвука в разбавленном растворе бикарбоната натрия. Горечь конечного продукта оценивали методом, аналогичным методу Сковилле для оценки остроты перца.

Для технологических целей применимы гидродинамические источники ультразвука любой конструкции, например, пластинчатые гидроакустические преобразователи [17], представляющие собой погруженное в жидкость щелевое сопло, поток из которого под давлением в 5-10 бар натекает на заостренное в сторону струи препятствие, в котором возбуждаются колебания. Повышения плотности акустической энергии в среде в требуемом частотном диапазоне добиваются совпадением частоты автоколебаний в натекающей струе и частоты собственных колебаний препятствия. Гидродинамические источники ультразвука позволяют получать относительно недорогую акустическую энергию и используются в тех случаях, когда не требуется монохроматичности и высокой интенсивности излучения.

Микропотоки с высокими градиентами скоростей, возникающие в акустических полях вблизи неоднородностей в жидких средах с низкой вязкостью, в том числе вблизи клеток дрожжей в суспензиях, обусловливают отрыв от поверхностей этих клеток сорбированных или налипших на них посторонних частиц [13], в частности частиц хмелевых смол, придающих пивным дрожжам горький привкус.

При температурах жидкости, не превышающих 45°С, разрушения клеток дрожжей в акустических полях даже при ультразвуковых частотах, как известно, не наблюдается [13]. Обработанные в поле гидродинамического источника ультразвука в растворе бикарбоната натрия (0,25-0,5 кг/м³ суспензии), дрожжи быстро седиментируют, а смытые с них горечи всплывают, концентрируются на поверхности в виде пены и удаляются декантацией.

Для оценки эффективности обезгорчивания дрожжей в заявленном способе применяли метод, аналогичный методу, предложенному W. Scoville еще в 1912 г. и используемому до настоящего времени для количественной оценки степени остроты перца. Единица Сковилле равна количеству воды, в которой следует развести один миллилитр спиртового экстракта перца, чтобы язык трех из пяти человек, при нанесении на него капли такого раствора, перестал ощущать чувство жжения или тепла.

Аналогично, предлагаемая нами единица горечи (ЕГ), обусловленная присутствием хмелевых альфа-кислот, приравнивалась нами к количеству воды, которой следует развести 1 мл водного экстракта дрожжей, полученного настаиванием 1 г сухих пивных дрожжей в 10 мл воды при температуре 20°С в течение 30 мин при перемешивании с помощью магнитной мешалки, чтобы трое из пяти человек, дегустирующих контрольный 5-мл образец конечного раствора, перестали ощущать чувство горечи.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

Дрожжи, выведенные из процесса приготовления пива, разводят в соотношении 1:1,5 водой, добавляют 0,10% гидрокарбоната натрия и полученную суспензию пропускают через реактор с выключенным гидроакустическим источником ультразвука при температуре 20°С со скоростью 1 м/с. Суспензию отстаивают в течение 30 мин, декантируют, отбирают 15 г осадка, разбавляют водой до 100 мл, настаивают при температуре 20°С в течение 30 мин при перемешивании с помощью магнитной мешалки, проводят контрольную дегустацию с целью определить наличие веществ, придающих привкус горечи пивным дрожжам. Оцененная по методу, аналогичному предложенному Сковилле, степень горечи составила 19 ЕГ. Микроскопический анализ обнаружил ~1% разрушенных клеток.

Пример 2.

Дрожжи, выведенные из процесса приготовления пива, разводят в соотношении 1:1,5 водой, добавляют 0,10% гидрокарбоната натрия и полученную суспензию пропускают через реактор с гидродинамическим источником ультразвука при температуре 20°С со скоростью 0,8 м/с. Суспензию отстаивают в течение 30 мин, декантируют, отбирают 15 г осадка, разбавляют водой до 100 мл, настаивают при температуре 20°С в течение 30 мин при перемешивании с помощью магнитной мешалки, проводят контрольную дегустацию с целью определить наличие веществ, придающих привкус горечи пивным дрожжам. Оцененная по методу, аналогичному предложенному Сковилле, степень горечи составила 5 ЕГ. Микроскопический анализ обнаружил ~2,5% разрушенных клеток.

Пример 3.

Дрожжи, выведенные из процесса приготовления пива, разводят в соотношении 1:0,5 водой, добавляют 0,1% гидрокарбоната натрия и полученную суспензию пропускают через реактор с гидродинамическим источником ультразвука при температуре 30°С со скоростью 0,8 м/с. Суспензию отстаивают в течение 30 мин, декантируют, отбирают 15 г осадка, разбавляют водой до 100 мл, настаивают при температуре 20°С в течение 30 мин при перемешивании с помощью магнитной мешалки, проводят контрольную дегустацию с целью определить наличие веществ, придающих привкус горечи пивным дрожжам. Оцененная по методу, аналогичному предложенному Сковилле, степень горечи составила 3 ЕГ. Микроскопический анализ обнаружил ~7,5% разрушенных клеток.

Пример 4.

Дрожжи, выведенные из процесса приготовления пива, разводят в соотношении 1:1,5 водой, добавляют 0,1% гидрокарбоната натрия и полученную суспензию пропускают через реактор с гидродинамическим источником ультразвука при температуре 40°С со скоростью 0,8 м/с.

Суспензию отстаивают в течение 30 мин, декантируют, отбирают 15 г осадка, разбавляют водой до 100 мл, настаивают при температуре 20°С в течение 30 мин при перемешивании с помощью магнитной мешалки, проводят контрольную дегустацию с целью определить наличие веществ, придающих привкус горечи пивным дрожжам. Оцененная по методу, аналогичному предложенному Сковилле, степень горечи составила 3 ЕГ. Микроскопический анализ обнаружил ~7,5% разрушенных клеток.

Приведенные примеры иллюстрируют, что обработка суспензии пивных дрожжей в реакторе с гидродинамическим источником ультразвука, в растворе гидрокарбоната натрия с концентрацией (0,1-0,15)% при температуре (20-40)°С позволяет существенно снизить содержание веществ в пивных дрожжах, сообщающих им горький привкус или практически полностью удалить эти вещества. При этом отпадает необходимость последующей промывки водой, что обеспечивает сохранность биологически активных веществ в конечном продукте, позволяет экономить воду и, тем самым повышает экономичность процесса при снижении давления на окружающую среду.

Таким образом, совокупность отличительных признаков описываемого способа обеспечивает достижение указанного результата.

В результате проведенного анализа уровня техники обезгорчивания пивных дрожжей путем их обработки в поле гидроакустического излучателя, в растворе гидрокарбоната натрия с концентрацией ниже используемых во всех других патентах и заявках и позволяющей исключить дальнейшую промывку, источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения, не обнаружен, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

Дополнительный поиск известных решений показал, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку предложенный способ обладает комплексом свойств, обеспечивающих при сниженном техногенном воздействии на окружающую среду в экономически выгодных, технологически щадящих условиях обезгорчивание пивных дрожжей. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

Таким образом, изложенные выше сведения свидетельствуют о том, что представленное изобретение, предназначенное для обезгорчивания пивных дрожжей, обладает заявленными выше свойствами. Для заявленного способа, в том виде, как он охарактеризован в изложенной формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов.

Источники информации

1. А.С. 654193.

2. Заявка №55-162983, Япония.

3. А.С. 186369.

4. Патент РФ №2070399.

5. Патент США №3212902.

6. Hoggan S. Yeast as a By-Product. The Brewer, 1979, 65, №77, p.7-14.

7. Патент РФ №2244438.

8. Патент РФ №2204909.

9. Заявка на изобретение РФ 2002110340.

10. Патент РФ №2291625.

11. Патент РФ №1503728.

12. Патент РФ №2195846.

13. Акопян В.Б., Ершов Ю.А. Основы взаимодействия ультразвука с «биологическими объектами. - М., Изд-во РГТУ им. Н.Э.Баумана, 2005, 300 с.

14. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Под ред. И.П.Голяминой. М. «Советская энциклопедия», 1970, с.79-81.

15. Акопян В.Б., Суворов Г.А. Ультразвук. БМЭ, 1984, т.26. с.49-51.

16. Д.И.Вольфович, В.П.Куликова, Т.А.Горобцева. - Автолизаты пивных дрожжей - компоненты питательных сред. В кн. «Разработка и производство диагностических сухих питательных сред и микросистем». МЗ РФ, РА Естественных наук. Концерн «Иммуноген», НПО «Питательные среды», Махачкала, 1998 г.

17. В.Б.Акопян, Е.Мордвинова, Н.Метальникова, А.Пасхин, А.Сергеева, А.Рухман, Обработка ультразвуком оболочек пшеничного зерна, Комбикорма, 2008, №2, с 49-50.

18. Акопян В.Б. Вольфович Д.И., Вольфович Л.Д. Способ получения пищевого биологически активного продукта переработки дрожжей. Патент №2195846, 2003 г.

Способ обезгорчивания пивных дрожжей, включающий разведение выведенных из процесса приготовления пива дрожжей водой в соотношении 1:1,05-1:1,5, добавление 0,10% гидрокарбоната натрия, отличающийся тем, что полученную суспензию пропускают через реактор с гидродинамическим источником ультразвука при температуре 5-35°С.