Способ производства пива
Изобретение относится к пивоваренной промышленности. Очищают и дробят солод и ячмень. Приготавливают и фильтруют затор. Кипятят сусло без добавления хмеля в режиме низкотемпературной СВЧ-пастеризации. Осветляют и охлаждают сусло. Этап основного брожения разделяют на аэробный этап размножения дрожжей до концентрации дрожжевых клеток не менее 150·106 кл./дм3 и на этап анаэробного гликолиза, проводимые в различных технологических емкостях. Вносят биомассу дрожжей с добавлением соединений селена на этапе основного брожения в виде взвеси в пропорции 1/30 к объему сусла, подаваемого на гликолиз. При этом гликолиз проводят до получения требуемой концентрации этанола путем дробного добавления необходимого количества сбраживаемых сахаров, а соединение селена вводят в органической форме в составе плазмолизата отработанных дрожжей в концентрациях не более 40 мкг/гл. Осуществляют дображивание, созревание и осветление пива. Вносят экстракт хмелепродуктов в пиво в дозе, обеспечивающей не более 20% ощущений горечи органолептического букета пива. Осуществляют розлив пива в бутылки и бочки. Изобретение позволяет существенно сократить время основного брожения и весь жизненный цикл производства пива и препятствует накоплению в составе конечного продукта токсичных веществ состава побочных продуктов брожения. 2 ил., 3 табл.
Изобретение относится к пивоваренной промышленности, в частности к способам получения пива с пониженными токсикологическими свойствами.
Известен способ производства пива, включающий очистку солода и ячменя; дробление солода и ячменя; приготовление затора; фильтрование затора; кипячение сусла с хмелем; отделение сусла от хмелевой дробины; осветление и охлаждение сусла; внесение биомассы дрожжей с добавлением селенита натрия на этапе основного брожения; дображивание и созревание; осветление пива; розлив пива в бутылки и бочки. Этот способ явился основанием для разработки новой технологии и нового пищевого продукта, а именно светлого пива «Лунное» [Лузан В.Н., Червонная С.С., Усачева О.А. Производство пива, обогащенного селеном. Пиво и напитки, 2006 - №4. - С.26-27; Червонная, С.С. Технология пива светлого, обогащенного селеном. Автореф. дис. кан. тех. наук. Улан-Удэ, 2006, с.18-20]. Авторы предприняли попытку ввести соединения селена в процесс получения пива и добиться его концентрации в готовом продукте на уровне адекватного уровня потребления. Это техническое решение принято нами за прототип.
Недостатком способа является использование авторами селенита натрия, который, будучи многовалентным минеральным соединением селена, является токсичным [Ю.И.Шишков. Научно-практическая роль соединений селена в технологии пивоварения // Пиво и напитки, №1. 2007. С.8]. Кроме того, авторами использована традиционная технология получения пива, не предназначенная для снижения образования токсичных компонентов в пиве, неизбежных спутников классических способов технологии пивоварения, при этом авторы не использует новейшие энергосберегающие технологии и достижения смежных отраслей, в частности, для активизации семенных дрожжей.
Другим недостатком способа получения пива является проведение в одной технологической емкости (ЦКТ) двух процессов: аэробного этапа размножения дрожжей и анаэробного процесса сбраживания сусла с получением этанола (гликолиза), требующих для оптимизации взаимоисключающих условий.
С целью устранения указанных недостатков нами разработан способ производства пива, включающий очистку солода и ячменя, дробление ячменя и солода, приготовление и фильтрование затора, кипячение, осветление и охлаждение сусла, внесение биомассы дрожжей с добавлением соединений селена на этапе основного брожения, дображивание и созревание, осветление пива, розлив пива в бутылки и бочки, согласно изобретению кипячение сусла осуществляют без добавления хмеля в режиме низкотемпературной СВЧ-пастеризации, этап основного брожения разделяют на аэробный этап размножения дрожжей до концентрации дрожжевых клеток не менее 150·106 кл./дм3 и на этап анаэробного гликолиза, проводимые в различных технологических емкостях, причем биомассу дрожжей вносят в виде взвеси в пропорции 1/30 к объему сусла, подаваемого на гликолиз, при этом гликолиз проводят до получения требуемой концентрации этанола путем дробного добавления необходимого количества сбраживаемых сахаров, а экстракт хмелепродуктов вводят перед розливом пива в дозе, обеспечивающей не более 20% ощущений горечи органолептического букета пива, причем соединение селена вводят в органической форме в составе плазмолизата отработанных пивных дрожжей в концентрациях не более 40 мкг/гл.
Учитывая сложность формулы изобретения, обоснование существенных признаков мы будем проводить соответственно этапам формулы прототипа. Патентный поиск аналогов и прототипов основных существенных признаков заявляемого технического решения мы провели по классам МПК С12С 07/00; С12С 11/00; С12С 12/00; С12С 13/02; С12С 7/22, С12С 7/28; С12С 13/08; С12С 11/18; Н05В 6/64; А23С 3/07; А61K 36/15.
Этап «кипячение сусла»
Этап предназначен для получения отвара отфильтрованного сусла с хмелем с целью придания суслу заданных свойств как по плотности, экстрактивности, так и его обогащению компонентами хмеля. Биохимические изменения при варке сусла с хмелем сводятся не только к переходу в раствор из состава хмелевых брикетов определенных веществ, определяющих качество конечного продукта (пива), но и завершению процессов осахаривания крахмала путем термического воздействия определенной длительности. В технологической инструкции по производству солода и пива [Раздел 5.7.4 «Применение экстрактов хмеля» // Технологическая инструкция по производству солода и пива: ТИ 18-6-47-85. - М., 1985. - С.83-84] предусмотрена определенная длительность варки, определяемая как числом подаваемых порций отфильтрованного сусла, так и длительностью процесса максимального извлечения флавонидов и других компонентов из брикетов хмеля. При этом Технологическая инструкция по производству солода и пива регламентирует норму внесения экстрактов хмеля на 1 дал горячего сусла, приняв показатель наличия α-изо-кислот за критерий качества «горечи экстракта хмеля».
Недостатки прототипа. Современные исследования в области изучения влияния компонентов хмеля на качество пива и здоровье потребителя привели к выводу о прямой взаимосвязи концентраций твердых смол хмеля в готовом пиве как одной из причин возникновения рака прямой кишки [А.К.Жанатаев и др. / Пиво как функциональный продукт и его влияние на здоровье. «Пиво и Канцерогенез».- Электронный ресурс: http://www.propivo.ru/sens/01/31.html. - Время обращения 3.11.2009].
Эти факты заставляют отказаться от кипячения сусла с хмелем. Научно-технический прогресс идет в направлении создания технологий удаления из хмелепродуктов твердых смол хмеля, ответственных за канцерогенез, или поиска заменителей типа ароматизатора «Хмель», вносимых в готовое пиво перед розливом [заявка Великобритании №1221146, кл. С12С 7/00, 1971; патенты РФ №2139325, №2139327, заявл. 02.12.1997; опубл. 10.10.1999; Бюл. №34 / Способ производства пива «Берхомут». Потеряхин П.С. и др.]. Компромиссными решениями являются внесение в сусло перед его охлаждением хмеля в количестве 8-12% от общего расхода и введение в пиво после фильтрации эфирного масла хмеля в количестве 0,8-1,2 см3 на 100 дал пива [патент РФ №9402113, заявл. 07.06.1994; опубл. 20.04.1996; Бюл. №4 / Способ производства пива. Павлович Ю.Н. и др.].
Доказано, что внесение хмелевого эфирного масла (дозы от 1 до 5 г/гл) в сусловарочный котел приводит к большим потерям. При внесении хмелевого эфирного масла перед брожением (0,5-2 г/гл) меняются его характерные свойства из-за метаболизма дрожжей и под действием химических реакций с летучими соединениями - продуктами брожения. Оптимальным принято внесение хмелевого эфирного масла (0,05-0,3 г/гл) перед фильтрованием, что обеспечивает требуемую интенсивность хмелевого вкуса, аромата молодого пива [С.Schonberger, Joh.Barth. Переработка хмеля // Новое в пивоварении / ред. Ч.У.Бэмфорт. - СПб.: Профессия, 2007. - С.143-167].
В связи тем что исчезла необходимость варки сусла с хмелем для получения качественного пива, возникла необходимость разработки нового типа сусловарочного котла как устройства, обеспечивающего выполнение заявляемого способа производства пива.
Сусловарочный котел как устройство, обеспечивающее реализацию этапа способа производства пива
Известен сусловарочный котел с внутренним нагревательным элементом - паровым теплообменником (перколятор) [Федоренко, Б.Н. Пивоваренная инженерия: технологическое оборудование отрасли / Б.Н.Федоренко. - СПб.: Профессия, 2009. - 1000 с. (с.442, рис. 6.70)]. При этом внутри аппарата размещен паровой нагреватель, который представляет собой кожухотрубчатый теплообменник. В межтрубное пространство теплообменника подают греющий пар при избыточном давлении до 0,3 МПа, а в открытых с обеих сторон трубах циркулирует сусло. Теплообменник зафиксирован в аппарате на трех трубчатых опорах, которые одновременно являются трубопроводами для подвода в межтрубное пространство греющего пара и отвода из него конденсата. Непосредственно к верхней трубной решетке теплообменника по ее периметру примыкает конический диффузор, сужающий поток сусла, выходящего из труб теплообменника и имеющий отбойный отражатель струй сусла, препятствующий выбросу сусла в верхнюю часть аппарата. Длительность варки (пребывания сусла в сусловарочном котле) в том числе определяется необходимостью выпаривания сусла для повышения его экстрактивности. При сильном разбавлении сусла его концентрацию можно повысить выпариванием.
Оригинальная конструкция выпарного аппарата, вынесенного за пределы сусловарочного котла, разработана и применена на ОАО Пивоваренный завод им. Степана Разина [ftp://ftp.efo.ru/pub/binary/nais/razin.pdf. Егоров Е.В., Полосин В.Л., Рассказов С.В., Щербина А.Н. Промышленные контроллеры АСУ / 2002, №9].
Достоинством котла является отсутствие необходимости в длительном кипячении всего объема сусла, подаваемого на брожение. Поставленная задача решается за счет того, что известное устройство дополнительно содержит выпарной аппарат, вынесенный за пределы основного котла и обеспечивающий дробное удаление излишней водной составляющей сусла.
Эта конструкция сусловарочпого котла принята нами за прототип.
Однако конструкция котла направлена на устранение ошибок предыдущего технологического этапа фильтрации затора, допустившего излишнее разбавление и снижение экстрактивности сусла. Известно, что для стерилизации сусла вполне достаточно прокипятить его в течение 15 мин [Главачек, Ф. Пивоварение / Ф.Главачек, А.Лхотский; пер. с чешского И.В.Холодовой; ред. А.П.Колпакчи. - М.: Пищ. пром-сть, 1977. - С.199-200; Б.Н.Федоренко, Пивоваренная инженерия СПб., Профессия. 2009. С.423. «Стерилизация сусла»]. Сусло для осахаривания выдерживается в течение 2 часов при температуре 55-57°С, затем 1 час при температуре 65-68°С, после чего стерилизуется при 85°С 20 минут, охлаждается до 50-52°С [Государственный институт по проектированию предприятий пищевой промышленности №2 «ГИПРОПИЩЕПРОМ-2» - Нормы технологического проектирования предприятий спиртовой промышленности; ВНТП 34-93; Комитет РФ по пищевой и перерабатывающей промышленности. Москва, 1993 г. / Разработаны Государственным институтом по проектированию предприятий пищевой промышленности «Гипропищепром-2» / http:/www.skonline.ru/digest/38161.html].
Таким образом, дорогостоящий и энергозатратный высокотемпературный способ кипячения сусла не соответствует направлению мирового технического развития технологии пивоварения. Для приведения его конструкции в соответствие с современными достижениями смежных наук, в частности автоматизации производственного процесса и способов стерилизации сусла на этапе подготовки к основному брожению, в том числе устранению фактов накопления канцерогенных компонентов состава хмеля, на фиг.1 представлена принципиальная схема низкотемпературного сусловарочного котла для осуществления заявляемого способа.
1 - Корпус котла; 2 - плавающая крышка с датчиками и измерителями; 3 - роликовые направляющие; 4 - датчик и измеритель температуры сусла; 5 - датчик и измеритель плотности сусла; 6 - датчик и измеритель кислотности сусла; 7 - датчик верхнего уровня; 8-8 - датчик нижнего уровня сусла в котле; 9 - контейнер-дозатор технологических добавок с управляемым краном 10; 11 - выносной пастеризатор с управляемым кранами 12, 13; 14 - циркуляционный насос; 15 - охлаждающий змеевик теплообменника; 16 - выносное охлаждающее устройство с управляемым краном 17; 18 - микропроцессор; 19 - пластинчатый выносной выпарной аппарат; 20 - линия откачки сусла; 21 - линия промывных вод; 22 - сброс в канализацию.
В разработанном нами техническом решении сусловарочный котел включает: корпус котла 1 с плавающей крышкой 2 с тремя роликовыми направляющими 3, позволяющими ей перемещаться снизу вверх котла в зависимости от его наполнения поступающими на варку порциями сусла, причем плавающая крышка 2 содержит беспроводные датчики и измерители температуры 4, плотности сусла 5, датчик и измеритель кислотности сусла 6, а также датчик верхнего уровня 7 и датчик нижнего уровня 8 сусла в котле. Контейнер-дозатор технологических добавок 9 с управляемым краном 10, предназначенный для внесения в сусло добавок в качестве корректирующих мероприятий для приведения к стандарту фактических параметров сусла. Подача сусла в котел 1 после фильтрации затора осуществляется порционно через выносной пастеризатор 11 через управляемый кран 12, причем подача в котел пастеризованного сусла осуществляется через управляемый кран 13, расположенный в нижней части котла 1 над входом в котел циркуляционного насоса 14 и напротив охлаждающего змеевика-теплообменника 15 выносного охлаждающего устройства 16, соединенных посредством управляемого крана 17. Взаимодействие датчиков-измерителей и исполнительных механизмов осуществляется микропроцессором 18 по линиям беспроволочной связи. Пластинчатый выносной выпарной аппарат 19 используется в случаях устранения исправимого брака - чрезмерного разбавления сусла. Откачка охлажденного сусла осуществляется по линии откачки сусла 20; вода для промывки котла подается по линии 21; а сброс промывных вод в канализацию осуществляется по линии 22.
Устройство работает следующим образом,
Отфильтрованный затор в виде сусла поступает через управляемый кран 12 в выносной пастеризатор 11, где выдерживается не более 1 минуты. Затем через кран 13 подается в сусловарочный котел 1, где накапливается до уровня, определенного верхним сигнализатором 7. Плавающая крышка 2 постоянно соответствует уровню наполнения котла 1, при этом датчики и измерители 4, 5, 6 качества сусла постоянно сигнализируют в микропроцессор 18.
Суть известного технического решения: в СВЧ-установке темп нагрева обрабатываемых жидкостей составляет 250-350°С в секунду (тогда как в традиционных пастеризаторах всего 1-5°С). При этом на микроорганизмы действуют три фактора: мгновенный нагрев (около 0,08 с) с созданием мнимого источника тепла внутри бактерий; высокий градиент температуры (от 4 до 350°С в секунду); высокая плотность СВЧ-энергии (не менее 800 Вт/см2). Полная пастеризация пива происходит за 1,5-2,0 секунды. Молниеносность нагрева гарантирует сохранение органолептических характеристик продукта.
Патентный поиск, проведенный по классам МПК Н05В 6/64, А23С 3/07, показал наличие современных решений с достаточным уровнем автоматизации процесса. В качестве аналога мы использовали патент РФ №2106766 «СВЧ-установка» для пастеризации и обеззараживания жидкостей» Таганрогского научно-исследовательского института связи.
Удельный расход электроэнергии для СВЧ-пастеризатора ПМ-4000, серийно выпускаемого торговой компанией «Диалог», составляет 23 кВт/л [http://www.ptechnology.ru/Main Part/PishaTech/PishaTech13.html].
Обработанная в выносном пастеризаторе порция сусла поступает через управляемый кран 13, расположенный в нижней части сусловарочного котла 1, что обеспечивает частичное перемешивание осадка сусла, возможного от предыдущих порций закачки. Гомогенизации температуры сусла по всему объему способствует работа циркуляционного насоса 13, периодически включаемого по команде микропроцессора 18 между циклами закачки пастеризованного сусла. Охлаждение всего объема находящегося в котле 1 сусла осуществляется при контакте сусла со змеевиком-теплообменником 15 холодильной установки 16 через управляемый кран 17. При этом запрограммированные и контролируемые параметры сусла, находящегося внутри котла 1 (температура, плотность, кислотность), измеряются датчиками и приборами-измерителями 4, 5, 6, размещенными на плавающей крышке 2 котла 1, конструктивно всегда расположенными в верхних слоях накапливающегося стерилизованного сусла. Информационный (мониторинговый) поток в микропроцессор 18 позволяет вести дистанционное программируемое управление процессом накопления сусла, подготавливаемого к этапу основного брожения. Соотношения показателей расходомера (на фиг.1 не показан) при входе в выносной СВЧ-пастеризатор 11 с заведомо известными объемами котла 1 между верхним 7 и нижним 8-8 измерителями уровней сусла в котле 1 позволяют контролировать объем сусла, подаваемого на фильтрацию. Санитарная обработка котла может осуществляться посредством промывания котла 1 по линии подачи промывной воды 21 с участием циркуляционного насоса 14 и сбросом в канализацию по линии 22.
Охлаждение сусла является обязательным при любых технологиях и рассматривается как способ физико-химической стабилизации пива (охлаждение пивного сусла снижением его температуры до 5-7°С) [Раздел 7. Охлаждение и осветление сусла // Технологическая инструкция по производству солода и пива: ТИ 18-6-47-85. - М., 1985. - С.91.; Повышение физико-химической стабильности пива путем его охлаждения /Donhauser S// Brew. and Beverage Ind. Int. - 1997. - №2. - С.88-89]. Перекачка охлажденного сусла на фильтрацию перед подачей в ЦКТ производится по команде управляющего микропроцессора по показаниям уровнемеров 7, 8-8, свидетельствующим о заполнении котла 1.
Заявляемое техническое решение, кроме существенного снижения энергозатрат (на длительное кипячение) относительно прототипа, имеет и другое преимущество, а именно стерилизация сусла, предназначенного для основного брожения, исключает этап кипячения с хмелем и проводится как низкотемпературная СВЧ-стерилизация. Это исключает накопление в составе сусла токсичных психогенных соединений белков с углеводами, известных как 2-тиобарбитуровая кислота, меланоидины, пиридины и пиримидины.
В предлагаемом нами техническом решении охлаждение сусла проводится в сусловарочном котле посредством встроенного холодильника - внутрикотлового змеевика-теплообменника 15-16-17 с циркуляцией хладагента. При этом длительность работы циркуляционного насоса 14, гомогенизирующего температуру сусла по объему котла 1, управляется микропроцессором 18 по показаниям погружных термодатчиков, расположенных на «плавающей крышке» 2 сусловарочного котла 1 (см. фиг.1). Применение разработанной нами технологии делает излишними конструктивные решения внекотловых теплообменников, таких как многочисленные модификации охлаждения и осветления пивного сусла: на холодильной тарелке, в отстойном и в гидроциклонном аппаратах, в сепараторе, на фильтрах, трубчатых и пластинчатых теплообменниках [Основные процессы пивоварения. Охлаждение и осветление пивного сусла / Ермолаева Г.А. // Пиво и напитки. - 1998. - №3. - С.10-13].
Этап «Внесение биомассы дрожжей с добавлением селенита натрия на этапе основного брожения»
Процесс основного брожения по состоянию на сегодняшний день представляет собой недопустимое совмещение двух разнородных биотехнологических процессов, требующих для оптимизации различных технологических условий: аэробное размножение дрожжей на неполноценной по составу культуральной среде (сусло) и анаэробный процесс гликолиза (ферментами дрожжей) углеводной составляющей сусла.
Проведенный нами анализ научно-технических решений в области интенсификации процессов основного брожения пивного сусла показал стремление технологов сократить сроки приготовления пива, ускорить процесс основного брожения путем подбора особых условий технологического процесса, в первую очередь путем изменения способа введения семенных дрожжей с их предварительной обработкой, изменения температурного режима брожения для сокращения продолжительности брожения [Мальцев П.М. Технология солода и пива. Специальный курс, издательство «Пищевая промышленность», 1964, 859 с.; Ф.Главачек, А.Лхотский. Пивоварение, перевод с чешского, М.: Пищевая промышленность, 1977; Иванова Л.А. Разработка и обоснование способов совершенствования биотехнологии и повышения качества светлого пива. Автореферат дис. д-ра техн. наук: 05.18.07. М., МГУПП, 1999, и др.].
В частности, специальные исследования Ивановой Л.А. [Иванова, Л.А. Разработка и обоснование способов совершенствования биотехнологии и повышения качества светлого пива. Автореф. дис. д-ра техн. наук: 05.18.07 / Л.А.Иванова. - М.: МГУПП, 1999. - 49 с.] показали, что увеличение температуры брожения (+6; +10; +12; +16; +20°С) или количества семенных дрожжей (от 2,0·106 до 494,0·106 кл./см3) хотя и приводило к увеличению скорости сбраживания сахаров сусла и существенному сокращению продолжительности брожения, но при одинаковом накоплении этилового спирта (3,0-3,2 мас.%). При этом установлено, что за счет увеличения дозы семенных дрожжей в указанном диапазоне достигалось 4,6-24-кратное сокращение длительности сбраживания сахаров в сусле, тогда как увеличение температуры от 6,0 до 20,0°С дало лишь 3,5-18-кратное возрастание скорости брожения. Причем прирост количества клеток по отношению к исходному засеву, характеризующий интенсивность размножения дрожжей, с увеличением нормы засева непрерывно снижался. Это свидетельствует о том, что условия размножения дрожжей с повышением температуры и увеличением засева ухудшаются быстрее, чем при низких температурах брожения. Автором экспериментально установлен факт, что повышение дозы семенных дрожжей способствовало снижению конечного количества диацетила и ацетоина в 1,8 и 1,2 раза соответственно по сравнению с молодым пивом при контрольном засеве; аналогичным образом при повышении температуры с 6 до 12°С содержание этих компонентов выявлено в 1,2 раза меньше, чем в контрольном молодом и готовом пиве. При этом удалось сократить технологический цикл производства пива в 1,4-2,3 раза.
На основании этих данных нами сделаны выводы:
во-первых, регулируя количество семенных дрожжей и температуру основного брожения, можно более чем в 20 раз сократить время полного сбраживания сахаров сусла без сверхбыстрого накопления побочных продуктов брожения;
во-вторых, условия размножения дрожжей в производственном сусле не являются оптимальными для прироста биомассы, так как прирост биомассы составил всего 28,98·106 кл./см3 в сутки при величине засева даже в 500,0·106 при температуре +20°С.
При анализе существующих технологий основного брожения мы установили, что условия, технологически создаваемые в ЦКТ при существующих технологиях пивоварения, неблагоприятны для роста и размножения дрожжей по параметрам температуры, насыщения сусла кислородом, неполноценному для роста биомассы составу сусла, а так же из-за эффекта Грабтри. Эффект Грабтри является причиной того, что при разведении дрожжей в сусле невозможно препятствовать образованию этилового спирта, блокирующего размножение дрожжей путем уничтожения молодых почкующихся клеток [Magner, H.J., Annemuller, G.; Speed of Yeast Propagation in Breweries-Basis for Planning and Sizing a Yeast Propagation Plant. Brauwelt Internat. 19, 2001, 117-123; Гавин Миллар и др. «ЦКТ пивзавода «Велке Поповице» // Пиво и жизнь, 2003. С.17-21 // www.propivo.ru, Beer & Life magazine].
При этом для роста биомассы дрожжей требуется температурный оптимум +32°С, тогда как для гликолиза высокоплотного сусла - от +5 до +12°С.
Кроме того, пивным дрожжам для размножения требуется до 12,0 мг О2/л, а для тканевого дыхания в анаэробном процессе гликолиза концентрация растворенного кислорода не должна быть выше О2=0,015-0,03 мг/л (ниже этой концентрации рост культуры ограничивается). При этом для роста биомассы требуется полный набор аминокислот, минералов и витаминов. Несовпадение по трем главным параметрам процесса приводит к тому, что при внесении семенных дрожжей в ЦКТ они испытывают питательный стресс в виде двух-трехдневной адаптации. С одной стороны, в начале основного брожения, известного как «лаг фаза» и фаза «экспоненциального или логарифмического роста», дрожжи набирают биомассу и адаптируются к условиям ЦКТ. При этом требуется технологическая аэрация всего объема сусла. Однако уже через два дня для активизации процессов гликолиза избыток кислорода становится вредным и сдерживающим процесс брожения фактором. Быстро изменить качество сусла в ЦКТ практически невозможно: требуется не только существенно снизить температуру всего объема ЦКТ, но и существенно изменить химический состав сусла:
а) для фазы роста биомассы дрожжей требуется избыток аминного азота, от которого в дальнейшем приходится избавляться, так как он существенно искажает качество конечного продукта;
б) для роста дрожжей требуется особый набор минеральных веществ, который не используется на последующих этапах брожения (см. ниже);
в) для роста дрожжевой массы расходуются основные запасы витаминов солода, от нехватки которых в сусле зависит замедление скорости роста биомассы и ухудшается функциональное состояние дрожжей, от которого зависит сам процесс основного брожения.
С другой стороны, специальные исследования показали, что условия, благоприятствующие чрезмерному росту дрожжей, будут ухудшать процесс брожения [Крюгер, Лин. Обмен веществ дрожжей и его влияние на вкус и аромат пива / Лин Крюгер // Спутник пивовара. - 1999. - Весна. - С.39-48].
На наш взгляд техническим решением возникшей проблемы должно быть ее разделение на две части:
а) с одной стороны, создание оптимальных условий для роста биомассы дрожжей и насыщения их потребностей в кислороде, витаминах и минералах в условиях увеличенного по объему танка разбраживания;
б) а с другой стороны, создание в ЦКТ оптимальных условий для гликолиза как основного процесса главного брожения.
Таким образом, мы предлагаем рост и увеличение объемов семенных дрожжей вести не путем многократных пересевов из емкости в емкость с удвоением объема добавляемого стерильного сусла, как это рекомендует ТИ 18-6-47-85, а непосредственно готовить требуемую биомассу дрожжей «до окончательного количества» (термин по патенту США №4507325, 1985 г.) в дополнительном «танке разбраживания» по технологиям микробиологической промышленности, касающейся получения биомассы дрожжей.
Известно, что при засеве 0,5 л жидких дрожжей на 1 гл пива и при нормально протекающем брожении обычно получается четырехкратный прирост дрожжей [Мальцев, П.М. Технология солода и пива: специальный курс / П.М.Мальцев. - М.: Пищ. пром-сть, 1964, с.497-500]. Наиболее продвинутые пивовары, последовательно сбраживая сусло в одном танке разбраживания, в течение 7-8 дней получают 2500 гл дрожжевой разводки в стадии высоких завитков [Г.Миллар и др. ЦКТ пивзавода «Велке Поповице»: пропагатор дрожжей, двухстороннее наполнение, промывка и гомогенизация дрожжей с помощью СО2 // Пиво и жизнь, с.17-21 // www.propivo.ru].
Анализ направления научно-технического развития в вопросе технологии внесения пивных дрожжей показал стремление пивоваров организовать дробное повторное введение в сусло больших доз дрожжей и сахаров в количестве, зависящем от скорости усвоения сахаров дрожжами [патент США №4971808, кл. С12С 7/00, 1990]. При этом солодовое сусло сначала сбраживают до образования биомассы дрожжей в половинном объеме от окончательного количества, добавляют сахар в течение такого времени, чтобы не происходило роста сбраживаемого экстракта и не возникло осмотического удара (по дрожжам), после чего продолжают брожение [патент США №4507325, кл. С12С 11/00, 1985].
Аналогом нашего технического решения послужил «Способ производства крепкого пива» [патент РФ №2086622, С12С 7/00, заявл. 15.10.1996; опубл. 10.08.1997; Бюл. №9 / Способ производства крепкого пива. Беличенко A.M., Голикова Н.В., Айвазян С.С.], который отличается от американских прототипов тем, что активизацию жидких дрожжей низового брожения осуществляют 12-24 часа при температуре 6-8°С в 3-5-кратном объеме воды к объему жидких дрожжей с добавлением 2-3-кратной массы солодового концентрата к массе жидких дрожжей. При этом начиная со вторых суток брожения вносят дробно сахара и жидкие дрожжи низового брожения 0,05-0,06% к объему пива в каждой разовой задаче (всего 0,1-0,2% дрожжей к объему пива).
Недостатком способа является факт проведения размножения пивных дрожжей на неполноценной культуральной среде и не при оптимальных для размножения дрожжей температурных и кислородных условиях.
«Способ размножения пивных дрожжей в одном танке»
Данный раздел предлагаемого изобретения является неотъемлемой частью заявляемого способа производства пива, а именно размножения семенных пивных дрожжей как этапа способа «внесение биомассы дрожжей и проведение основного брожения».
В реальных производствах интенсификацию процессов приготовления пива предлагают проводить путем специальной подготовки и активизации заквасных культур дрожжей техническими способами [Горелова О.В. Интенсификация процессов приготовления пива путем активизации заквасных дрожжей. Автореф. дис. к.т.н., М., 1983; Пермякова Л.В. Разработка способа подготовки засевных дрожжей с целью интенсификации процессов приготовления пива. Автореф. дис. к.т.н., М., 1987];
электрофизическими методами [Прохоренкова Г.К. Интенсификация процесса приготовления пивного сусла с применением электрофизических методов. 1984. (Московский ин-т пищевой промышленности)] либо путем интенсификации массообменных процессов в ферментерах с механическим перемешиванием [Борисов В.Л. Интенсификация массообменных процессов в ферментерах с механическим перемешиванием. Автореф. дис. к.т.н., Киев, 1989].
Результаты нельзя назвать обнадеживающими. Так при изучении влияния обработки дрожжей в роторно-пульсационном аппарате, в том числе с добавлением в 11% пивное сусло 5-10% молочной сыворотки в соотношении 1:1 или 1:0,5, обнаружено возрастание в дрожжевой суспензии количества мертвых клеток на 9,2-14,8% (при контроле - на 11,3-21,8%) [Помозова, В.А. Активация пивных дрожжей / В.А.Помозова, Л. В. Пермякова, Е.А.Сафонова, В.В.Артемасов // Пиво и напитки. - 2002. - №2. - С.26-27].
Нельзя не согласиться с мнением английского специалиста в области разведения пивных дрожжей [Quain, D.Е. Внесение дрожжей и их разведение // Новое в пивоварении / ред. Ч.У.Бэмфорт.- СПб.: Профессия, 2007. - С.193], что «разведение дрожжей относится, прежде всего, к их простому размножению, а не к производству пива».
ТИ 18-6-47-85 предлагает рост и увеличение объемов семенных дрожжей вести путем многократных пересевов из емкости в емкость с удвоением объема добавляемого стерильного сусла, используемого как культуральная среда. Процедура очень длительная и трудоемкая.
Для ускоренного получения биомассы дрожжей известны как составы культуральных сред, так и условия получения оптимального объема биомассы дрожжей. Кроме основного поставщика углерода и азота показан оптимальный состав минеральных добавок. Так, Жан-Амадрик дю Шаффот и Клод Раймон Магно, Франция [патент №484696, МПК7 С12С 11/18, заявл. 11.04.1973; опубл. 15.09.1975; Бюл. №34 / Способ получения биомассы], оптимальным считают состав среды г/л: H3PO4=1,84; KCl=1,16; MnSO4=0,024; Mg(OH)2=0,078; FeSO4·7H2O=0,08; ZnSO4· 7H2O=0,158; CuSO4·5H2O=0,0004; при рН 4,5. Рихтер Клаус с соавторами [патент №554281, С12С 11/18, заявл. 28.05.1974; опубл. 15.04.1975 / Способ получения биомассы] считают оптимальным состав культуральной среды в пересчете на 10 г сухих дрожжей: NH4Cl=4,0; K2HBO4=1,2; MgSO4=0,8; CuSO4·2H2О=0,0048; CoSO4·5H2O=0,0012; MnSO4·4H2O=0,0096; Mg·BO4=0,014; FeCl2=0,0084; CaCl2·6H2O=0,0144; Na2MoO4=0,0018; ZnCL2·7H2O=0,0017. При температуре раствора +30°С и рН 3,8 клеточная концентрация составила 30 г/кг при продуктивности 2 г/кг/ч.
Отечественный институт микробиологии им. А.Ксерхенштейна [а.с. 282249, С12С 11/00, Б.И. №21, 1974, М.Е.Бекер и др. «Способ производства микробной биомассы»] рекомендует следующий набор микроэлементов из расчета на 100 г сухой биомассы дрожжей: CoCO3=0,00032-0,001; CuSO4=0,0075-0,0125; MnSO4=0,0003 5-0,0125; FeSO4=0,00375-0,0075; KI=0,00035-0,025; ZnSO4=0,0075; (NH4)2MoO4=0,00075.
Любая из приведенных минеральных добавок среды ускорит процесс размножения биомассы кормовых дрожжей. Однако эти разработки непригодны для целей пивоварения в связи с тем, что авторы использовали в качестве источника углерода и азота для роста дрожжей метанол или газойль Иранской нефти (прямоцепочные углеводы с содержанием в молекуле более 10 углеродных атомов). Их остаточные концентрации могут оказаться в готовом продукте, повысить токсичность пива или изменить его органолептические свойства.
Из альтернативных решений, взятых нами за прототип, нам кажется более обоснованным способ разведения пивных дрожжей в одном танке, детально разработанный Вакенбауэром [Wackenerbauer, K., Zufall,C: Dresdner Brauertag, 17.04.1998, ref. Briforum 5 (1998, s.133-134]. При этом способе чистая культура из колбы Карлсберга размножается в одном танке так долго, пока ее количество не будет достаточно для внесения в обычный танк для брожения. При этом способе разведения дрожжей в одном танке проводят активную аэрацию размножающихся дрожжей стерильным воздухом, которая приводит к постоянному поддерживанию их во взвешенном состоянии, что благоприятно отражается на их способности к размножению. Этим этот способ аэрации выгодно отличается от более современных [Федоренко, Б.Н. Пивоваренная инженерия: технологическое оборудование отрасли / Б.И.Федоренко. - СПб.: Профессия, 2009. - С.152] и более экономичных способов оксигенации сусла в пропагаторе путем использования мембранных технологий разделения воздуха без его предварительной стерилизации. Способ Вакенбауэра реализуется пропагатором, представляющим собой цилиндроконический танк, который снабжен рубашкой, служащей для подвода пара и охлаждающей среды, и кроме вакуумных и предохранительных клапанов танк оборудован моющими головками. Через 2,5-3 дня наращивают объем дрожжей, достаточный для одной варки. При этом стерильный воздух подается через аэрационную насадку: в первый день - 1 минута через интервал 15 минут, во второй день - 1 минута через интервал в 5 минут. Конструкцию этого пропагатора как устройства, реализующего способ-прототип, мы приняли за прототип, назвав его «танк разбраживания» (см. фиг.2).
Недостатком способа является использование сусла как неполноценной культуральной среды при отсутствии специально адаптированных сред. В этих условиях на каждом этапе разведения дрожжей число клеток может соответствовать только верхней границе максимума [Manger, H.J., Annemuller, G.: Speed of Yeast Propagation in Breweries-Basis for Planning and Sizing a Yeast Propagatin Plant. Brauwelt Intemat. 19, 2001, 117-123]. При этом возникает т.н. «эффект Грабтри». Эффект Грабтри является причиной того, что при разведении дрожжей в сусле невозможно препятствовать образованию этилового спирта, блокирующего размножение дрожжей путем уничтожения молодых почкующихся клеток [Magner, H.J., Annemuller, G.; Speed of Yeast Propagation in Breweries-Basis for Planning and Sizing a Yeast Propagation Plant. Brauwelt Internal. 19, 2001, 117-123; Гавин Миллар и др. «ЦКТ пивзавода «Велке Поповице», Пиво и жизнь, 2003. С. 17-21 // www.propivo.ru, Beer & Life magazine].
Мировой научно-технический прогресс производства дрожжей идет в направлении использования отходов пищевых производств путем их ферментативной обработки для подготовки возможности использования маточными дрожжами как источников углерода и азота. При выращивании биомассы дрожжей всегда кроме источника углерода требуются добавки в виде источника азота и минеральные соли [а.с. №449933, С12С 11/18, заявл. 09.08.1972; опубл. 15.11.1974 / Способ получения биомассы дрожжей. Троценко Ю.А и др.]. Например, при непрерывном способе выращивания дрожжей на базе мелассы требуется добавление 1,76 хлорида калия на одну весовую единицу мелассы [а.с. 357215, С12С 11/18 Л.Д.Белов. Непрерывный способ выращивания дрожжей].
Целью нашего технического решения была разработка способа размножения пивных дрожжей на культуральной среде, оптимально адаптированной к условиям размножения пивных дрожжей, а также устройства для реализации предлагаемого способа размножения пивных дрожжей. Мы считаем рациональным использовать плазмолизат отработанных дрожжей как полноценную культуральную среду для роста биомассы дрожжей. Состав плазмолизата приведен в таблице 1. Существенные признаки устройства в виде «танка разбраживания» приведены на фиг.2.
Известен автолизат дрожжевой осветленный, который применяют для целей косметологии или как пищевую добавку (0,3-0,5 г/кг/сутки) и получают путем автолиза пекарских или пивных дрожжей Saccharomyces cerevisiae [ТУ 9154-003-46781511-00 «Автолизат дрожжевой осветленный». Центр ГОССАНЭПИДНАДЗОРа, г.Москва, гигиеническое заключение №77.01.12.915.П.33972.11.0 от 21.11.2000]. Автолизат представляет собой водный раствор, состоящий из биологически активных веществ и витаминов (аминокислот, трегалозы, тиамина, рибофлавина, ниацина, биотина, пиридоксина, пантотеновой кислоты, фолиевой кислоты и консерванта). LD50 составляет 8,0 г/кг, что вдвое меньше токсичности этанола. Главным достоинством автолизата является полный набор незаменимых аминокислот, ферментов и витаминов, необходимых живой клетке.
Способы извлечения полезных веществ из осадочных дрожжей существенно различаются в зависимости от целей исследования: получение сухих пищевых дрожжей, пищевого белкового концентрата, изолята белка, в т.ч. в виде концентрата нуклеиновых кислот или в виде комплексных препаратов витаминов группы В. Способы хотя и дают до 80% выхода экстрагируемого белка, но технологически чрезвычайно сложны и многоступенчаты, нередко требуют специальных методов очистки от масел, растворителей или других технологических ингредиентов, предназначенных для цитолиза клетки и разрушения ее клеточной оболочки.
Для получения полноценного белкового концентрата ферментный гидролиз, то есть расщепление целостных дрожжевых клеток специализированными дрожжелитическими ферментными комплексами, например, грибкового происхождения (Arthrobacter luteus) [Шкляр, Б.Х. Ферментативный лизис дрожжей. Минск. Наука и техника, 1974, 224 с.], имеет преимущества перед кислотным гидролизом (химические способы дезинтеграции дрожжевой клетки, например, при обработке дрожжей 1% соляной кислотой или двузамещенным фосфатом аммония (4% от массы жидких дрожжей)) [Wolter H.C. et al. Die Heferuckfuhuhrung zur Maische in Brauereien der DDR - Lebensmittelindustrie, 1984, v.31, 6, p.268-269]. Ферментативный гидролизат в отличие от автолизата или плазмолизата лучше сохраняет полезные свойства всего состава дрожжей клетки, в том числе ее оболочек. Биохимические методы дезинтеграции основаны на использовании гидролитического действия на клеточную стенку внутриклеточных энзимов в сочетании с органическими растворителями (0,6-27,5 мас.% хлороформа, толуола, амилацетата или этилацетата) с последующим экстрагированием белка. Известен вариант выделения белка после разрушения клеточных оболочек дрожжей водной суспензией пивоваренного ячменя, содержащего β-1,3-глюканазу [Янчевский В.К. и др. Производство пищевого белка микробиологическим синтезом на основе растительного сырья. - М.: АгроНИИТЭИПП, 1988. №2. С.21; Янчевский В.К. и др. Качество пищевого белкового концентрата, полученного из дрожжей-сахаромицетов и пути его использования в пищевой промышленности.
Тезисы докладов Всес. Конф. «Химия пищевых производств. Свойства и использование биополимеров в пищевых продуктах». Могилев, 1990. - М.: АгроНИИТЭИПП, 1990. - C.112].
Способы хотя и дают до 80% выхода экстрагируемого белка, но технологически чрезвычайно сложны и многоступенчаты. При этом используют продукты разрушения (различными методами) целостной дрожжевой клетки, или части ее плазмолизата, или только части белков клетки, предварительно осажденных из раствора различными способами.
В Воронежском технологическом институте разработан способ использования автолизированных дрожжей при приготовлении пивного сусла [Семенова и др. Оптимизация азотистого состава пивного сусла // Пищевая промышленность. - 1998. №4. С.-44-45]. При этом автолиз дрожжей проводят в течение 18-22 часов при температуре +50°С. Для ускорения автолиза рН дрожжевой суспензии доводят до 6,0-6,5 с использованием Са(ОН)2 или CaCl2 в количестве 1% от массы дрожжей. Автолизат, нагретый до 50°С, используют при затирании в количестве 10-12% от массы воды. При этом в варочном цехе выход экстракта увеличивается на 0,8-1,0%. Проверка технологии в условиях Ялтинского пивоваренного завода показала, что использование дрожжевого кислотного гидролизата дает эффект увеличения выхода экстракта, аналогичный использованию ферментных препаратов.
В США запатентован способ гидролиза дрожжей (патент США №4218481) под действием ферментных препаратов папаина, фицина, бромелайна, панкреатина или их смесей при концентрации ферментов в дрожжевой суспензии 0,01-1,0%. При этом процесс гидролиза проводят при температуре 40-60°С и рН 5,0-7,5 в течение 2-24 часов при непрерывном помешивании.
Фирма «Hefa-Frenon Arzneimittel GmbH» (Германия) разработала способ получения автолизата из остаточных пивных дрожжей. Дрожжи в присутствии сбраживаемых сахаров подвергают плазмолизу, затем отделяют автолизат от оболочек дрожжей путем центрифугирования, добавляют 0,5% углеводов и молочной кислоты и сбраживают вместе с чистыми пивными дрожжами. Полученный раствор добавляют в молодое пиво, которое при этом обогащается витаминами (патент №2149409, опубликован 12 апреля 1973). Автолизат пивных дрожжей используют также для целей ускорения солодоращения, добавляя 0,5% к массе замачиваемого зерна вместе с молочной кислотой (0,12-0,15%) на второй день проращивания (патент №2149409).
Способ повторного использования пивных дрожжей не нов. Существует практика повторного использования пивных дрожжей после главного брожения (ТИ-18-6-47-85, Раздел 9.6. С.106-107). При этом требуются длительные пересевы для получения полноценных генераций (от трех до семи пересевов). Но даже при этом известно, что брожение с добавлением засевных дрожжей из предыдущих циклов брожения зачастую сопровождается эффектом «прерывания брожения», которое возникает при недостатке ненасыщенных жирных кислот и стеринов. Низкая культура хранения семенных дрожжей привела к тому, что отечественные пивовары используют дрожжи до 12-13 повторов. При этом неизбежно происходит «диссоциация расовой культуры дрожжей», т.е. расщепление однородной популяции на варианты клеток, имеющих фенотипические отличия от клеток исходной популяции [цит. по Ю.И.Шишков, Плахов С.А. Увеличение физиоло-биохимической активности посевных дрожжей // Пиво и напитки №№, 2002. С.15]. Кроме того, всегда велика опасность размножения вместе с семенными и диких дрожжей.
Эта опасность устранена в заявляемом нами техническом решении тем, что каждый новый засев начинается с засева стандартизированной (чистой семенной культуры) партии, а по окончании разбраживания сусла и основного брожения вся биомасса дрожжей дезинтегрируется, а пиво пастеризуется.
Идеология заявляемого нами способа состоит в том, чтобы максимально использовать биологические ресурсы отработанных пивных дрожжей для разведения новой партии засевных дрожжей. При этом чтобы избежать процедуры технологической очистки автолизата, получаемого при лизисе целостных клеток с неизбежными побочными включениями, накопленными оболочками дрожжевых клеток, которые могут влиять на вкус пива, мы предпочли использовать только плазмолизат дрожжевой клетки. При этом оболочки разрушенных ультразвуком клеток удаляют из раствора центрифугированием, а сам плазмолизат обрабатывают протеолитическими ферментами для разрушения белков на аминокислоты и азотсодержащие составляющие, пригодные для усвоения дрожжами для роста биомассы.
Заявляемый нами способ реализуется следующим образом. После окончания перекачки молодого (зеленого пива) всю биомассу отфильтрованных дрожжей подвергают дезинтегрированию ультразвуковым дезинтегратором, затем центрифугируют (промышленная центрифуга с частотой вращения не менее 3 тысяч оборотов в минуту) в течение не менее 30 минут. В эксперименте использовали центрифугу «ЭЛЕКОН» ЦЛЛН-Р10-01 с ротором на 10 пробирок (ТУ 9443-001-245.23530-97). Преимущества ультразвукового дезинтегратора состоят в эффекте мгновенной стерилизации. Центрифугат и все нерастворимые вещества удаляют, а в плазмолизат для ферментативного разложения белков добавляют (1% к массе плазмолизата) протеолитические ферменты, например, в виде доступного бактериального препарата «Протосубтилин Г 20х», обладающего протеолитической активностью (ТУ 9152-031-34588571-99).
Заявляемая конструкция «танка разбраживания» как устройства, обеспечивающего реализацию способа размножения дрожжей
На фиг.2 представлена схема устройства в виде единого «танка разбраживания» пивных дрожжей по заявляемому способу.
Схема устройства включает: корпус «танка разбраживания» 23, в верхней части которого размещен смеситель для составляющих культуральной жидкости 24, дозатор плазмолизата пивных дрожжей 25, дозатор сусла 26, колбу Карлсберга (хранитель семенных дрожжей) 27, бойлер (проточный подогреватель воды) 28, выносной поплавковый уровнемер 29. Устройство также содержит датчики температуры 30, датчики растворенного кислорода 31, воздуходувку 32, спиралевидное распределительное устройство подачи воздуха 33, воздухоподающие сопла 34, управляющее устройство воздухоподающих сопел 35, микропроцессор 36.
Устройство работает следующим образом. Все процедуры размножения дрожжей проводят в едином «танке разбраживания» 23, в который через смеситель 24 подаются дробно (порциями) необходимые порции плазмолизата дозатором плазмолизата 25, сусла - дозатором сусла 26 и порции семенных дрожжей путем выдавливания из колбы Карлсберга 27. При этом в смеситель 24 из бойлера 28 подается подогретая до 40°С вода со скоростью 0,3 литра в минуту весь период размножения дрожжей. Причем до внесения семенных дрожжей танк разбраживания 23 заполняют водой и культуральной жидкостью на одну четвертую часть объема, о чем свидетельствует ее появление в выносном поплавковом уровнемере 29. Этот уровень соответствует уровню начала погружения нижних датчиков температуры 30 и датчика растворенного кислорода 31 в жидкость и началу мониторинга жидкости. По показаниям датчиков растворенного кислорода 31 включается воздуходувка 32, обеспечивающая подачу воздуха в спиралевидное распределительное устройство 33, расположенное на дне танка разбраживания 23. При этом подача воздуха, обеспечивающая постоянное взвешенное состояние размножающихся дрожжей, производится поочередным включением воздухоподающих сопел 34 через управляющее устройство 35 по принципу «бегущей волны». Причем для повышения эффективности перемешивания дрожжей и гомогенизации температуры жидкости (до 32±2°С) по всему танку разбраживания 23 скорость подачи воздуха в начальный период размножения дрожжей составляет не менее одного объема подаваемого воздуха на один объем культуральной жидкости. В дальнейшем объем подаваемого воздуха воздуходувкой 32 определяется микропроцессором 36 по показаниям датчика растворенного кислорода 31, причем величина растворенного кислорода не должна быть ниже 5 О2/л.
Подача в танк разбраживания 23 составных частей культуральной жидкости производится дробными порциями через дозаторы 25 и 26 по командам с микропроцессора 36, запрограммированного на поддержание соотношения: один объем плазмолизата и три объема сусла на три объема воды. Разведение считается законченным при обнаружении в пробе дрожжевых культур около 150 кл.·106/см3. В программу микропроцессора 36 заложено использование ресурса дозаторов 25, 26, необходимого для выращивания каждых 100 л дрожжевой культуры, расчетно необходимых для внесения в ЦКТ.
При исчерпании ресурсов дозаторов или при достижении верхнего уровня заполнения танка разбраживания 1 расчетной вместимостью 5000 л микропроцессор отключает дозаторы и подачу воды, сохраняя только управление барботированием всего содержимого танка.
Оптимизация основного брожения
Известны способы повышения физиологической активности дрожжей с помощью внесения в сусло порошка шелухи солода (патент Японии №5175508); молочной сыворотки [Козлов С.Г. Исследование и разработка способов активации дрожжей с использованием молочной сыворотки. Автореф. дис. к.т.н. Кемерово: КТИПП. 2002]; плазмолизата дрожжей [патент №2129592, заявл. 21.10.1997; опубл. 27.04.1999; Бюл. №31 / Питательная добавка для пивных дрожжей, способ ее получения и способ производства пива. Плахова Г.С. и др.]; использования спирулины из сине-зеленой водоросли [Бидихова, М.Э. Повышение жизнеспособности пивоваренных дрожжей с использованием спирулины платенсис / М.Э.Бидихова, В.Л.Лаврова, А.М.Гернет // Пиво и напитки. - 2002. - №6. - С.10-12].
В известном способе использования гидролизата пивных дрожжей, полученного по известному способу с применением цитолитических ферментов, гидролизат смешивают с комплексом солей и в дозе 5-6 г/гл в сухом виде или 0,1-0,2 л на 1,0 гл сусла вводят в ток охлаждаемого сусла для улучшения перемешивания, а затем задают дрожжи, доводя содержание ионов цинка в сбраживаемом сусле до 0,11-0,15 мг/л, а ионов марганца до 0,04-0,05 мг/л сусла [патент №2129592, заявл. 21.10.1997; опубл. 27.04.1999; Бюл. №31/ Питательная добавка для пивных дрожжей, способ ее получения и способ производства пива. Плахова Г.С. и др.]. При этом происходит увеличение степени сбраживания и количества алкоголя, уменьшение содержания пропанола, изометилового спирта и диацетила, при этом биомасса дрожжей выросла на 34%, но скорость их оседания повысилась почти на 65%.
Лучшие результаты дал способ интенсификации процесса сбраживания сусла с использованием гидролизата хлебопекарных дрожжей [И.В.Киселева, Е.А.Пучков, К.В.Кобелев, М.В.Гернет, В.Л.Лаврова. // Пиво и напитки. 2004. №2. С-38-39]. Опыт показал, что при внесении 100-150 мг гидролизата на 100 см3 сусла в высокоплотное сусло дрожжи на 20-30% лучше выбраживают сусло, вырабатывают больше спирта, меньше диацетила, а опытные образцы пива обладают более приятным вкусом. При этом оказалось, что влияние гидролизата на бродильную активность различных рас дрожжей идентично.
Однако при этом установлено, что гидролизат не влияет на степень сбраживания сусла с начальной концентрацией сухих веществ 8 и 10%, а увеличение дозы гидролизата до 400 мг на 100 см3 сусла не оказывает влияния на бродильную активность и накопление биомассы [И.В.Киселева и др., 2004, с.38-39]. При анализе представленных авторами данных видно, что с увеличением внесенной дозы гидролизата дрожжи более активно утилизируют аминный азот и экстракт сусла и вырабатывают спирт, но до определенного предела: доза в 400 мг (как избыточная по азоту) оказалась не обеспеченной углеродной составляющей сусла, жизненно необходимой для роста биомассы. Приведенные авторами данные по разнородной динамике кислотности бродящего сусла также подтвердили последние данные по способности дрожжей к полиауксии: при исчерпании ресурсов углерода из сахаров сусла дрожжи начинают использовать для прироста биомассы молочную и другие органические кислоты с длинной углеродной цепочкой, причем об исчерпании различных углеродных ресурсов можно судить по динамике изменения рН сусла [патент РФ №302352, С12С 11/00; С12K 1/00, заявл. 09.11.1970; опубл. 01.01.1971; Бюл. №15 / Способ определения полиауксии при культивировании микроорганизмов]. Приведенные авторами данные, свидетельствующие об уменьшении количества диацетила в сусле параллельно с увеличением вносимой дозы гидролизата, также свидетельствуют о том, что растущая биомасса дрожжей начинает использовать диацетил как источник углерода.
Таким образом, недостатком способа интенсификации процесса сбраживания сусла [И.В.Киселева и др., 2004] является отсутствие необходимой пропорциональности содержания источников азота и углерода для обеспечения оптимальных условий роста биомассы дрожжей.
Пример конкретного применения
| Таблица 1 | |||
| Минеральный состав плазмолизата и культуральной среды, мкг/г зольного остатка (собственные данные) | |||
| Минерал | Плазмолизат дрожжей расы 34 | Сусло | Вода |
| Са | 666,0 | 66,12 | 23,98 |
| Mg | 272,0 | 108,0 | 7,96 |
| Р | 2619,0 | 243,0 | 0,033 |
| Si | 8,88 | 47,7 | 5,05 |
| Na | 75,62 | 50,12 | 48,71 |
| K | 1564,0 | 367,0 | 2,91 |
| Li | 0,007 | 0,0053 | 0,00359 |
| Al | 0,16 | 0,09 | 0,009 |
| Fe | 12,1 | 0,40 | 0,05 |
| I | 0,03 | 0,018 | 0,003 |
| Zn | 26,26 | 0,40 | 0,03 |
| Se | 0,0536 | 0,0208 | 0,00161 |
| Cu | 1,56 | 0,1 | 0,01097 |
| Cr | 0,0244 | 0,056 | 0,0012 |
| Mn | 1,18 | 0,14 | 0,001957 |
| As | 0,013 | 0,0014 | 0,00043 |
| В | 0,13 | 0,15 | 0,066823 |
| Cd | 0,01848 | 0,000138 | 0,000012 |
| Co | 0,03748 | 0,00117 | 0,000071 |
| Hg | 0,00054 | 0,00054 | 0,000635 |
| Ni | 0,28 | 0,00036 | 0,001455 |
| Pb | 0,00485 | 0,00015 | 0,000809 |
| Sn | 0,01231 | 0,00203 | 0,000015 |
| Sr | 1,55 | 0,13 | 0,20 |
| V | 0,0024 | 0,002 | 0,00077 |
| Σ | 5248,92 мкг/г | 882,83 мкг/г | 83,975 мкг/г |
При приготовлении 1 гл молодого пива получается 1 кг остаточных дрожжей.
Минеральная составляющая плазмолизата пивных дрожжей расы 34 не превышала 30% сухого остатка. Приведенные в таблице 1 данные показывают, что плазмолизат отработанных пивных дрожжей является основным поставщиком кальция, магния, цинка, фосфора, калия, необходимых для увеличения биомассы пивных дрожжей. На этом основании мы считаем излишним насыщать разработанную нами оптимизированную культуральную среду минералами или микроэлементами. Этим наше техническое решение отличается от существенных признаков аналогов питательных подкормок размножающейся биомассы дрожжей.
Белковая составляющая плазмолизата достигала 70% всего состава, при этом концентрация аминокислот в дрожжевом плазмолизате составила 54,5 г/л. Общий азот в плазмолизате составил 1750 мг% при остаточном азоте 32,25 мг%. Определения произведены в аккредитованной испытательной лаборатории ВНИИМС (г.Оренбург) по методу Г.А.Узбекова в модификации З.С.Чулковой [К.Г.Колб, B.C.Камышников. Справочник по клинической химии. Минск. Беларусь, 1982]. При этом сусло содержало всего 0,2 г/л аминного азота. Таким образом, ячменное сусло не может обеспечить даже части потребности растущей биомассы дрожжей в азоте. Учитывая тот факт, что обычные пивные дрожжи не содержат протеолитических ферментов, следовательно, не могут самостоятельно утилизировать белковый и полипептидный азот, возникла необходимость добавления в состав плазмолизата протеолитического фермента, например доступного бактериального препарата «Протосубтилин Г20х», обладающего протеолитической активностью (ТУ 9152-031-34588571-99). Препарат использовали в концентрациях до 1% к массе плазмолизата.
Использование ферментов при производстве автолизата дрожжей оправдано только при ферментативном цитолизе целостной клетки (патент 2129592), причем внесение амилолитического фермента амилоризина П10Х неизбежно провоцирует ускорение процесса сбраживания сахаров и развитие синдрома Грабтри (этанольная гибель молодых почкующихся клеток). Известно, что автолиз (самопереваривание) дрожжевой клетки неизбежно происходит и без добавления ферментов при неблагоприятных внешних условиях, например при исчерпании запасов углерода в питательной среде. Известно также, что до 40% белковой составляющей клетки состоит именно из ферментов, в том числе протеолитических, что является основанием для получения из дрожжей витаминно-ферментных смесей. Однако процесс стихийного аутолиза длительный. Так, при технологическом гидролизе микробную биомассу подвергают тепловому шоку (15-17 с), после чего подвергают выдержке 2 ч при температуре 45-50°С и 1 ч при 55-60°С с последующим высаливанием белковой составляющей [Смотраева И.В. «Использование вторичных материальных ресурсов пивоварения в хлебопекарной промышленности. Дис. к.т.н., СПб. 2003. - 120 с].
В заявляемом техническом решении нами применен именно протеолитический фермент (но не амилолитический) для упрощения и ускорения низкотемпературного разложения сложных неденатурированных белков на фрагменты, пригодные для усвоения биомассой размножающихся дрожжей.
Используемое для приготовления культуральной смеси сусло (11% экстрактивности) содержало 20 г/л сахаров, тогда как в отцентрифугированном плазмолизате сахаров обнаружено всего 0,5 г/л. Определение проведено по ГОСТ Р 51135-98 (п.5.5.3.2.2). Обнаруженный нами факт согласуется с существующими теоретическими представлениями о том, что функционально активные дрожжи накапливают полисахариды и гликоген в клеточной стенке [Крюгер, Лин. Обмен веществ дрожжей и его влияние на вкус и аромат пива / Лин Крюгер // Спутник пивовара. - 1999. - Весна. - С.39]. Мы осмысленно подошли к удалению клеточных оболочек (и прочих взвесей) центрифугированием и соответственно к снижению содержания углеродной составляющей питательной среды в пользу существенного упрощения технологии получения плазмолизата. При этом компенсаторно в три раза увеличили долю сусла в составе культуральной среды. При этом мы учли, что накопление биомассы зависит от концентрации углеводов в среде: чем она больше, тем интенсивнее нарастает дрожжевая масса. Причем при нехватке сахаров как источника углерода дрожжевая масса не может усваивать азот, начинает деградировать в «результате самопереваривания голодающих дрожжей при недостатке углеводов» [Грачева, И.М. Влияние концентрации сухих веществ в исходном сусле на динамику накопления продуктов брожения / И.М.Грачева, Ю.А.Атрушкевич, В.Н.Романенко // Антология спиртового брожения, дистилляция и ректификация этилового спирта. Производство водки / Осетров С.Б. - [Б. м.], 1998. - Режим доступа: http://sergey-osetrov.narod.ru/Projects/Fermentation/influence_to_concentrations_dry_material_with_source_mash_on_fermentation.htm. - Дата обращения 10.11.2009].
Этот факт послужил основанием применить сусло как источник углерода в культуральной жидкости, составленной на основе дрожжевого плазмолизата. При расчете необходимого баланса источников азота, углерода и минеральных веществ для получения биомассы в танке разбраживания на каждые 100 литров засевных дрожжей приняты следующие соотношения для настройки дозаторов: один объем плазмолизата и три объема сусла на 3 объема воды.
Обоснование существенного признака заявляемого способа «способ по п.1, отличающийся тем, что при внесении биомассы дрожжей селенит натрия заменен на двухвалентное органическое соединение селена, входящее в состав плазмолизата, в дозе не более 40 мкг/гл сусла»
Соответствующий признак прототипа «внесение биомассы дрожжей с добавлением селенита натрия на этапе основного брожения» включает внесение селенита натрия в количестве 150 мкг/л сусла [В.Н.Лузан, С.С.Червонная, О.А.Усачева. Производство пива, обогащенного селеном // Пиво и напитки, 2006, №4. С.27; С.С.Червонная. Технология пива светлого, обогащенного селеном. Автореф. дис. к.т.н., Улан-Удэ]. Применение неорганических форм селена в пищевых целях некорректно в связи с его токсичностью [Ю.И.Шишков. Научно-практическая роль соединений селена в технологии пивоварения // Пиво и напитки, 2007. №1. С.8]. Кроме того, авторы прототипа использовали явно завышенные концентрации соединений селена, многократно превышающие оптимум их влияния на дрожжи, что приводит к их депрессии. Кроме того, известно, что применение селена оправдано только в селенодефицитных регионах, а избыток селена в любых формах, поступающий в организм человека из различных источников, приводит к серьезным отклонениям в состоянии здоровья [Третьяк Л.Н., Герасимов Е.М. Специфика влияния селена на организм человека и животных (применительно к проблеме создания селеносодержащих продуктов питания). // Вестник ОГУ, 2007, №12, с.-136-145].
Пример конкретного использования
В заявляемом нами техническом решении неорганическая форма селена заменена на органическую, входящую в состав плазмолизата пивных дрожжей. Так, из остаточного количества 350 кг пивных дрожжей, проведших брожение в ЦКТ на 110 гл, получено около 300 литров плазмолизата. Таким образом, в этом объеме содержится 4860 мкг селена: 1 л плазмолизата дает 300 г сухого вещества с содержанием 0,054 мкг/г селена. Общего количества 4,86 мг хватает для обогащения селеном 110 гл сусла или 44,2 мкг/гл (объем ЦКТ Новотроицкого пивзавода, на котором проводили исследования). Если учесть фактически существующую концентрацию селена в сусле, равную 0,0208 мкг/г зольного остатка, и что при начальной экстрактивности сусла 11% (110 г/л зольного остатка) концентрация селена в 1 л сусла составит 2,31 мкг/л (231 мкг/гл), то окажется, что внесенная дополнительно доза органического соединения селена увеличит концентрацию селена в молодом пиве до 275,2 мкг/гл или 2,75 мкг/л. Это многократно превысит концентрацию ионов селена в региональной питьевой воде, составляющую 0,00161 мкг/л.
Мы считаем рациональным добавление дозы плазмолизата, обеспечивающей дополнительную концентрацию селена в сусле не более 40 мкг/гл. Добавление в молодое пиво указанных объемов плазмолизата приведет к существенному повышению минерализации пива, обогатив его жизненно необходимыми минералами и микроэлементами. Но дальнейшее увеличение дозировок может быть чревато передозировками другими микроэлементами из состава плазмолизата. Поэтому мы выставили критерием признак: «добавка селена не более 40 мкг/гл пива», приняв селен как индикаторный микроэлемент всего состава плазмолизата.
С учетом новых данных, положительно характеризующих пиво как поставщика поступления в организм незаменимых микроэлементов, мы обосновали их ориентировочные безопасные уровни содержания в пиве. Методической основой расчетов принята методика определения ориентировочного допустимого уровня (ОДУ) по МУ 2.1.5.720-98. [«Обоснование гигиенических нормативов химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования». Раздел 13. Расчет ОДУ/ Методические указания. - Введены с 15.10.1998, http://www.mostgost.ru/gost_preview/mu/mu 215720-98/index.html - 26.05.09]. Промежуточные расчеты приведены в таблице 3.
Суть методики заключается в определении простыми лабораторными методами любого из микроэлементов состава пива с последующим простым расчетом ожидаемых концентраций других компонентов смеси по следующим формулам: Ci=ΣCi·Yi,; где Ci - прогнозная концентрация искомого микроэлемента, мг/л; Yi - удельный показатель искомого микроэлемента; ΣCi - прогнозная сумма всех микроэлементов, мг/л, определяемая путем деления полученного лабораторным путем фактического значения одного из микроэлементов, на его удельное значение.
Таким образом, использование плазмолизата при внесении в бродящее сусло позволяет производить пиво с заданной минерализацией и не требует обогащения пива минералами, как это заложено в способах-аналогах заявляемого технического решения.
Обоснование существенного признака заявляемого способа «основное брожение оптимизируют путем гомогенизации температуры и состава всего объема бродящего сусла и поддержания биомассы дрожжей во взвешенном состоянии, осуществляя барботаж сусла в ЦКТ восходящими потоками углекислоты, азота или с помощью циркуляционного насоса»
В соответствии с разработанной нами концепцией о разделении единого процесса брожения на два этапа: аэробный высокотемпературный этап роста биомассы дрожжей и анаэробный низкотемпературный процесс гликолиза созревшей биомассой дрожжей углеводной составляющей сусла, мы рекомендуем определенные технологические условия проведения гликолиза, которые являются существенными признаками заявляемого способа: поддержание биомассы дрожжей во взвешенном состоянии, проведение гликолиза при пониженных температурах и минимальном количестве растворенного кислорода в бродящем сусле; окончание брожения по исчерпанию дрожжами запасов сахаров в сусле.
В известных аналогах поддержание биомассы дрожжей во взвешенном состоянии осуществляется аэрацией. ТИ 18-6-47-85 (раздел 10.4 «Брожение и дображивание пива в цилиндроконических танках». С.114) рекомендует проводить аэрацию обеспложенным воздухом первых 50% сусла, поступающего в ЦКТ, из расчета 0,5-0,7 м3 воздуха на 1 м3 сусла до содержания 4-6 мг/л растворенного кислорода в сусле. Насыщение сусла кислородом во время брожения нарушает анаэробные процессы гликолиза [Крюгер, Лин. Обмен веществ дрожжей и его влияние на вкус и аромат пива / Лин Крюгер // Спутник пивовара. - 1999. - Весна. - С.39-48].
Практика пивоваренных зарубежных пивоваренных заводов (Чехия, Германия и др.) показывает необходимость замены барботажа бродящего сусла стерильным воздухом на углекислоту [Г.Миллар и др. ЦКТ пивзавода «Велке Поповице»: пропагатор дрожжей, двухстороннее наполнение, промывка и гомогенизация дрожжей с помощью СО2 //Пиво и жизнь, с.17-21 // www.propivo.ru]. При этом справедливо утверждается, что промывка бродящего сусла углекислотой приводит к удалению диметилсульфата, серосоединений и других летучих ППБ, способных повлиять на органолептические свойства молодого пива, а также способствует температурной гомогенизации сбраживаемого сусла.
От распределения дрожжей в бродильном чане зависит длительность брожения, скорость образования побочных продуктов брожения и жизнеспособность самих дрожжей. Считается, что дрожжи подвергаются самоперемешиванию пузырьками углекислоты, выделяющимися при брожении (0,2 м3 на 1 гл пива [Мальцев, П.М. Технология солода и пива: специальный курс / П.М.Мальцев. - М.: Пищ. пром-сть, 1964. С.525]. Погибающие дрожжевые клетки оседают на дно бродильного чана. Дрожжи, вначале равномерно распределенные по всему объему бродильного чана, уже через 50 часов от начала брожения на 70-80% оседают в конической части ЦКТ [C.Boulton. «Брожение пива», в кн.: Новое в пивоварении. Ред. Ч.У.Бэмфорт. Спб.: Профессия, 2007. С.266-269]. Осаждение дрожжей является результатом потребления дрожжами всех сбраживаемых сахаров и началом их аутолиза.
Стихийность перемешивания бродящего сусла в пивоварении принципиально отличается от организации процесса с участием биомасс микроорганизмов в других отраслях биотехнологии, где обязательным является организация механического перемешивания реакционной среды. Для целей пивоварения проведены лишь опытные испытания. Так, [Bosswell, C.D. Niewnow, A.W, Hewitt, C.J. Studies on the effect of mechanical agitation on the performance of brewing fermentations: fermentation rate, yeast physiology and development of flavour compounds // J.Am.Soc.Brew. Chem. 2002, 60, p.101-106] показал, что механическое перемешивание бродящего сусла турбинной мешалкой Раштона (при подводимой мощности более 0,25 кВт/м2) приводит к сокращению времени сбраживания и снижению образования сложных эфиров за счет ускорения метаболизма дрожжей [цит. по C.Boulton. «Брожение пива». В кн.: Новое в пивоварении. Ред. Ч.У.Бэмфорт. СПб.: Профессия, 2007. С.266-269].
Это техническое решение, связанное с механическим перемешиванием бродящей дрожжевой массы, принято нами за прототип одного из существенных признаков заявляемого способа.
Заявляемое нами техническое решение предусматривает оптимизацию проведения основного брожения в его главной фазе «гликолиз углеводной составляющей сусла предварительно размноженной биомассой дрожжей» путем гомогенизации температуры всего объема ЦКТ и поддержания всей биомассы дрожжей во взвешенном состоянии посредством периодического барботажа бродящего сусла углекислотой или азотом в режиме не менее 0,5 м3 углекислоты (или азота, но не воздуха) в час на 1 м3 бродящего сусла. По экономическим соображениям перемешивание бродящего сусла чередованием барботажа углекислотой или азотом может быть заменено на механическое перемешивание восходящими струями сусла с применением погружного циркуляционного насоса.
Мы отказались от аэрирования сусла воздухом в связи с тем, что избыточное количество кислорода, накопленное биомассой дрожжей в «танке разбраживания» при введении в ЦКТ даже при 30-кратном разбавлении в объеме сусла, обеспечит удовлетворение потребности дрожжевой массы в тканевом дыхании. Известно, что дрожжам для тканевого дыхания в фазе анаэробного гликолиза достаточно всего 0,02-0,03 мг/л растворенного кислорода. Тем не менее, мы считаем обоснованным автоматизированный контроль растворенного кислорода и выделенной углекислоты в течение всего периода главного брожения.
Температура сусла является критической точкой, изменяя которую, можно регулировать скорость протекания основных биохимических процессов в ЦКТ. Известно, что оптимум протекания гликолиза в дрожжевых клетках соответствует 5-8°С, а для высокоплотного сусла +10-12°С. Биомасса дрожжей в момент засева в ЦКТ имеет температуру свыше +30°С, что неизбежно приводит к разогреванию всего объема сусла. Известно также, что процесс гликолиза также сопровождается выделением избыточного тепла. С одной стороны, для поддержания стабильной температуры требуется мониторинг температуры, а с другой стороны, по показаниям мониторинга требуется включение корректирующих теплообменников, функционирующих по принципу обратной связи (по отклонению). Практика показывает, что оптимальным техническим решением является управление встроенными змеевиками-теплообменниками с циркуляцией охлаждающей жидкости по командам управляющего микропроцессора.
Управление температурой брожения неожиданно переросло в проблему регулирования вкуса и аромата пива из-за различных температурных оптимумов метаболизма пивных дрожжей и образования ими летучих (пахучих) веществ. Высокие температуры оказывают благоприятный стимулирующий эффект на метаболизм и рост дрожжей, но при этом происходит более интенсивное образование ацетогидроксикислот и вицинальных дикетонов. Образование высших спиртов и фенилацетата увеличивается в интервале температур от 10 до 20°С, в то время как образование изоамилацетата и этилацетата имеет температурный оптимум около 15°С. В регламентах производства ряда баварских сортов пива главное брожение проводят при высоких температурах, а затем - дображивание - при низких температурах в течение непродолжительного периода. Эксперименты по контролю спирта на пилотных установках с иммобилизированными дрожжами также показали, что температура является критически переменной величиной: процесс при низких температурах и высоком времени удержания был лучшим компромиссом между низким содержанием спирта и пороговым значением содержания токсичных карбонильных веществ [Совершенствование брожения в пивоварении: новые технологии. / Дебур И.А. // Пиво и напитки. - 2000. - №4. - С.14-17].
Таким образом, температурный фактор становится определяющим регламентным показателем. В этой связи строгое поддержание оптимальной температуры бродильного аппарата должно круглосуточно контролироваться автоматической системой термодатчиков, размещенных по всему объему бродящего сусла как показатель эффективности процесса гомогенизации всего объема бродящего сусла.
Прекращение основного брожения, основанное на исчерпании углеводных запасов бродящего сусла, позволяет предотвратить накопление в молодом пиве побочных продуктов брожения и продуктов массового аутолиза дрожжевых клеток, начинающих процесс самоуничтожения из-за исчезновения источника углерода. Причем известно, что из-за способности дрожжей к полиауксии при исчерпании сахаров происходит утилизация дрожжами углерода из других источников одновременно с выработкой высших спиртов, альдегидов и вицинальных дикетонов [патент РФ №302352, С12С 11/00; C12K 1/00, заявл. 09.11.1970; опубл. 01.01.1971; Бюл. №15 / Способ определения полиауксии при культивировании микроорганизмов].
Обоснование существенного признака заявляемого способа «перед розливом пива в бутылки и бочки в готовое пиво вводят экстракт хмелепродуктов в дозе, обеспечивающей не более 20% ощущений суммарной горечи органолептического букета пива»
Аналоги заявляемого признака приведены на стр.№4 настоящей заявки в виде видов и доз хмелепродуктов, вводимых (по аналогам способа) в готовое пиво при отказе от кипячения сусла с хмелем. При этом нормируемые и заявляемые носители хмелевой горечи: изо-α-кислоты хмеля (ТИ 18-6-47-85), концентрация эфирного хмелевого масла [патент РФ №9402113, заявл. 07.06.1994; опубл. 20.04.1996; Бюл. №4 / Способ производства пива. Павлович Ю.Н. и др.], концентрация изогумулона [патент РФ №2086622, С12С 7/00, заявл. 15.10.1996; опубл. 10.08.1997; Бюл. №9 / Способ производства крепкого пива. Беличенко A.M., Голикова Н.В., Айвазян С.С.] или ароматизаторы типа «Хмель» [патент РФ №2139327, заявл. 02.12.1997; опубл. 10.10.1999; Бюл. №34 / Способ производства пива «Берхомут». Потеряхин П.С. и др.], предназначены для оптимизации органолептических свойств пива.
Недостатком всех этих технических решений является отрыв заявляемых доз от их влияния на общий вкусоароматический букет пива. Соотношение доз горечей, сладостей и других 129 вкусоароматических характеристик пива, согласованных международными пивоваренными объединениями и ассоциациями (EBC, МЕВАС и др.), авторами аналогов даже не рассматривалось.
В заявляемом нами техническом решении в качестве прототипа использовано предложение Meilgaard M.C. [Meilgaard M.C., Wort composition: with special reference to the use of adjuncts. Master Brewers Association of the Americas, http://www.mbaa.com/Tesch Quarterly/Abstracts/1976/tq76ab23.htm]. Он предложил классифицировать вкусовые вещества состава пива на четыре группы: 1) главные вкусовые составляющие, присутствующие в пиве в концентрациях более чем в 2 раза больше порога чувствительности (в «нормальном пиве» - только этанол, диоксид углерода и горькие хмелевые вещества); 2) вторичные вкусовые составляющие, которые присутствуют в пиве в концентрациях в 1-2 раза выше порога чувствительности (автор выделил изоамилацетат, этилацетат и амиловые спирты); 3) третичные вкусовые составляющие, присутствующие в концентрациях 0,1-0,5 ниже порога чувствительности (например, ацетоин и фенилэтилацетат); 4) фоновые вкусовые вещества, формирующие фоновый вкус пива, присутствующие в концентрациях более чем в 10 раз ниже порога чувствительности. Однако известно, что если один или несколько компонентов будут присутствовать в пиве в концентрациях, существенно превышающих порог восприятия, то пиво изменит вкус. Границы максимально допустимых превышений порога ощущений не известны. Начальные уровни оценки главных вкусовых составляющих пива M.C.Meilgaard определил в плюс две единицы, при этом комплексная оценка автором не проводилась.
Таким образом, вкус и аромат необходимо рассматривать во взаимосвязи с концентрацией вещества, определяющего вкус. Мы провели специальное исследование зависимости суммы вкусоароматических свойств пива от концентрации вкусоопределяющих веществ. При этом мы существенно расширили круг вкусоароматических веществ, определяющих букет пива. Кроме того, мы ввели показатель «весового коэффициента вклада» каждого вещества в общую вкусоароматическую характеристику одного литра пива.
| Таблица 3 | ||
| Соотношение групп химических веществ состава пива, носителей определенных вкусоароматических свойств (собственные данные) | ||
| Химическое соединение | Доля, %, химического соединения в общей сумме вкусоароматических доз | Доля группы, %, в общей сумме вкусоароматических доз |
| Носители горького вкуса | ||
| горечи пива | 34,38 | Σ=50,03 |
| изо-альфа-кислоты | 6,57 | |
| ксантогумол | 9,10 | |
| Носители сладковатого и приторного вкусов | ||
| глицерин | 22,92 | Σ=25,65 |
| диацетил | 2,73 | |
| Носители серных привкусов | ||
| диметилсульфид | 3,27 | Σ=4,74 |
| этилмеркаптан | 0,82 | |
| диоксид серы | 0,65 | |
| Носители фруктовых привкусов | ||
| изопептилацетат | 3,17 | Σ=12,44 |
| ацетоин | 1,64 | |
| этилацетат | 1,64 | |
| метилацетат | 1,64 | |
| изоамилацетат | 1,23 | |
| винилацетат | 1,09 | |
| изобутилацетат | 0,74 | |
| ацетальдегид | 0,59 | |
| фенилацетат | 0,44 | |
| 2-фенилэтанол | 0,26 | |
| Носители жирных и мыльных привкусов | ||
| каприловая кислота | 2,18 | Σ=3,27 |
| масляная кислота | 0,82 | |
| лауриновая кислота | 0,14 | |
| каприновая кислота | 0,13 | |
| Носители винного, алкогольного или сивушного привкусов | ||
| изоамиловый спирт | 2,46 | Σ=3,88 |
| метанол | 0,79 | |
| пропиловый спирт | 0,39 | |
| изобутиловый спирт | 0,16 | |
| бутиловый спирт | 0,08 | |
| Σ=100 |
Проведенное исследование показало, что вклад горечей в общий букет существующих сортов пива (оренбургских производителей) явно завышен. Учитывая повышенную чувствительность человека к горечам в составе любого вкусового букета, в проекте разработанного нами стандарта качества и безопасности пива мы ограничили допустимую концентрации хмелевых горечей не более 20%. Превышение этого порога может привести к перевозбуждению вкусовых рецепторов корня языка и развитию рвотного рефлекса у наиболее чувствительных людей. Это может вызвать «потребительское неприятие» данного бренда пива.
В заявляемом техническом решении несмотря на существенные экономические затраты на получение предпочтение отдано ксантогумолу, обладающему противовирусными и антиканцерогенными свойствами.
Пример расчета доз. Общее число вкусоароматичеких доз одного литра пива «Жигулевское» составляет 61,09 единиц (без учета преобладающего вклада этанола). При этом добавка хмелепродуктов в виде изо-альфа-кислот в концентрации 4,0 мг/л и ксантогумола в дозе 5,0 мг/л обеспечила соответственно 6,57% и 9,1% общего числа вкусоароматических доз литра пива. Методика расчета вкусоароматических доз изложена выше при описании отличий заявки от прототипа. В частности, концентрацию вкусоароматического вещества в литре пива делят на величину порога его вкусового ощущения (мг/л) и результат соотносят с общей суммой вкусоароматических доз, т.е. 4,0 мг/л изо-альфа-кислот, обнаруженных в литре пива, делим на 1,0 мг/л (порог вкусовых ощущений), получаем 4 единицы вкусоароматических доз или 4,0/60,09=6,57% общего числа вкусоароматических доз букета литра пива. Относительно ксантогумола: при концентрации 5,0 мг/л и при пороге ощущения (0,9 мг/л) его вклад в общий букет пива составляет 5,56 вкусовых доз или 9,1% от общего вкусового букета. В сумме оба компонента хмелевой горечи обеспечили 15,67% общего букета пива. Но вся группа горечей, в том числе солевых и нехмелевых, составила 50,03% общего вкусоароматического букета пива. Т.о., вклад хмелевых горечей в общую горечь составил 15,67/50,03=31,15%. Мы считаем общую цифру горечей чрезмерно высокой, но повлиять технологически можем только на хмелевую горечь, уменьшая концентрацию вкусоопределяющих веществ. Преимущество «сохранить в составе пива» принадлежит ксантогумолу из-за его биологических оздоравливающих свойств. Доказано, что он обладает противовирусными и антиканцерогенными свойствами. Увеличив вдвое его концентрацию, т.е. до 10 мг/л, и отказавшись от внесения более доступных препаратов в виде изо-альфа-кислот хмеля, мы, не меняя органолептики пива, повысили его оздоровительные свойства.
На основе данных, приведенных в таблице 3, можно провести расчеты по моделированию пива любого вкусоароматического букета, изменяя (регулируя) концентрацию заменимых и сохраняя концентрацию незаменимых веществ в каждой вкусоароматической группе. Этот признак (дозной вкусоароматической оценки вклада веществ состава пива) является существенным для заявляемого технического решения.
Обоснование существенного признака заявляемого способа «перед розливом пива в бутылки и бочки готовое пиво подвергают СВ 4-пастеризации»
Признак не является новым, но обязательным для комплекса существенных признаков заявляемого технического решения потому, что в заявляемой технологии производства пива мы отменили заведомо излишние требования строгой стерилизации воздуха для аэрации, воды, плазмолизата и сусла, подаваемых в танк разбраживания. Эти требования обязательны для других технологических решений, которые не заканчиваются выведением из эксплуатации всей биомассы дрожжей. В противном случае велика опасность микробного заражения повторно используемой генерации низовых дрожжей. В заявляемом техническом решении стерильность обязательна только для микробиологического блока хранения семенных дрожжей. Все остальные этапы как одноразовое использование культуры дрожжей не требуют излишних затрат на стерилизацию. Более того, известно, что стерилизация сусла, подаваемого на установку разведения дрожжей, несет риск потери суслом многих питательных веществ. При отказе от стерилизации сусла получен существенный экономический эффект [Г.Миллар и др. ЦКТ пивзавода «Велке Поповице»: пропагатор дрожжей, двухстороннее наполнение, промывка и гомогенизация дрожжей с помощью СО2 // Пиво и жизнь, с.17-21 // www.propivo.ru]. Однако пиво как конечный продукт, обогащенный витаминно-ферментным комплексом плазмолизата пивных дрожжей, может служить средой развития микроорганизмов при дображивании, что требует финишной СВЧ-пастеризации.
Таким образом, заявляемый способ экономичен, позволяет существенно сократить время основного брожения и весь жизненный цикл производства пива и препятствует накоплению в составе конечного продукта токсичных веществ состава побочных продуктов брожения.
Способ производства пива, включающий очистку солода и ячменя, дробление ячменя и солода, приготовление затора, фильтрование затора, кипячение сусла, осветление и охлаждение сусла, внесение биомассы дрожжей с добавлением соединений селена на этапе основного брожения, дображивание и созревание, осветление пива, розлив пива в бутылки и бочки, отличающийся тем, что кипячение сусла осуществляют без добавления хмеля в режиме низкотемпературной СВЧ-пастеризации, этап основного брожения разделяют на аэробный этап размножения дрожжей до концентрации дрожжевых клеток не менее 150·106 кл./дм3 и на этап анаэробного гликолиза, проводимые в различных технологических емкостях, причем внесение биомассы дрожжей производят в виде взвеси в пропорции 1/30 к объему сусла, подаваемого на гликолиз, при этом гликолиз проводят до получения требуемой концентрации этанола путем дробного добавления необходимого количества сбраживаемых сахаров, а экстракт хмелепродуктов вносят перед розливом пива в дозе, обеспечивающей не более 20% ощущений горечи органолептического букета пива, причем соединение селена вводят в органической форме в составе плазмолизата отработанных дрожжей в концентрациях не более 40 мкг/гл.
