Разработка технологии безалкогольного пива, обогащенного вторичными продуктами метаболизма дрожжей

Пиво относится к числу наиболее древних и наиболее сложных по составу алкогольных напитков. Оно содержит значительное количество ценных в пищевом отношении компонентов. Но не надо забывать, что одним из компонентов пива является этиловый спирт, массовая доля которого в зависимости от сорта пива может колебаться от 2 до 11%. В связи с этим пиво не может быть рекомендовано, например, водителям, беременным женщинам, спортсменам, больным острыми и хроническими заболеваниями и пр. Альтернативой в данном случае может стать безалкогольное пиво, производству которого в настоящее время уделяется особое внимание. Однако в традиционных напитках брожения, каковым является и пиво, алкоголь играет важную роль в образовании аромата и вкуса, поэтому при отсутствии алкоголя эти напитки утрачивают свой характер. Поэтому изготовление безалкогольного пива уже давно является проблемой в пивоваренном производстве. Требования потребителя к вкусовым качествам здесь такие же, как и у классического пива, но содержание алкоголя должно быть уменьшено из законодательных и медицинских соображений.

Для приготовления безалкогольного пива на практике применяют физико-химические и технологические методы.

Из физико-химических методов практикуется метод диализа, при котором получается высококачественный продукт. Но внедрение этой технологии на предприятиях малой и средней производительности не целесообразно, т. к. спрос на безалкогольное пиво незначительный, а цены на такое оборудование очень высоки.

При приготовлении безалкогольного пива с помощью технологических методов обеспечивается низкая себестоимость продукта, но при этом органолептические свойства такого пива находятся на низком уровне.

И по этой причине исследования выбора сырья, штаммов дрожжей и технологических режимов для приготовления безалкогольного пива, направленные на повышение органолептических свойств и снижение себестоимости продукта, являются актуальной проблемой.

Цель и задачи исследования

.

Цель работы — разработать технологию безалкогольного пива, обогащенного вторичными продуктами метаболизма дрожжей.

В соответствии с поставленной целью было необходимо решить следующие задачи:

1. Обосновать требования к составу засыпи, предназначенному для получения безалкогольного пива и разработать рецептуру засыпи.

2. Исследовать влияние способов и параметров затирания на углеводный и азотистый состав сусла.

3. Выбрать штамм пивных дрожжей, для приготовления безалкогольного пива.

4. Установить зависимость между параметрами брожения и скоростью утилизации углеводов.

5. Найти пути регулирования содержания основных вторичных метаболитов дрожжей в безалкогольном пиве.

6. Разработать нормативно-техническую документацию (НТД) на производство безалкогольного пива.

Научная новизна.

— установлена зависимость скорости утилизации углеводов дрожжами штамма W34/70 от температуры и величины засева в процессе брожения пивного сусла;

— доказана эффективность использования бродящего пива в стадии высоких завитков вместо семенных дрожжей для приготовления безалкогольного пива;

— предложен способ удаления из пива соединений, ухудшающих его вкус, путем барботирования диоксидом углерода;

— установлено, что для обогащения безалкогольного пива вторичными продуктами метаболизма дрожжей его следует карбонизировать диоксидом углерода, образующимся при брожении классического пива.

Практическая значимость.

Предложены два способа приготовления безалкогольного пива. Разработана НТД по производству безалкогольного пива с использованием бродящего пива в стадии высоких завитков и низкосбраживаемых штаммов дрожжей.

Разработанные технологии внедрены на 4-х пивоваренных предприятиях.

Экономический эффект при производстве безалкогольного пива с использованием разработанной технологии для завода производительностью 1 млн. дал в год составит около 8 млн руб.

Основные положения доложены и обсуждены на конференциях СПбГУНиПТ.

По теме диссертации напечатано 8 работ.

1 Информационные исследования по технологии производства безалкогольного пива.

Изготовление безалкогольного пива уже давно является проблемой в пивоваренном производстве. Требования потребителя к вкусовым качествам здесь такие же, как и у классического пива, но содержание алкоголя должно быть уменьшено исходя из законодательных и медицинских соображений [35].

В каждом государстве есть свои стандарты по концентрации спирта в безалкогольных напитках. В России допустимая концентрация спирта в безалкогольном пиве составляет не более 0,5% об.

Для получения безалкогольного пива, предложен целый ряд технологий: сорбционный метод мембранный метод термический метод технологический метод биохимический метод.

Но из них широкое применение в промышленности нашли лишь мембранные, термические и технологические методы [98].

1.1 Мембранные методы Мембранные методы деалкоголизации пива осуществляются перекачиванием его через мембрану из хлопковой целлюлозы или ацетилцеллюлозы с очень маленькими порами, которые проницаемы только для молекул определенных органических веществ.

Из мембранных методов в практике широко и эффективно используются метод обратного осмоса и диализ.

1.1.1 Обратный осмос.

Теория осмоса.

Обратный осмос — это способ разделения растворов путем их фильтрования через полупроницаемые мембраны, пропускающие растворитель и задерживающие молекулы или ионы растворенных веществ [5].

В основе метода разделения раствора обратным осмосом лежит явление самопроизвольного перехода растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор (рис 1,1 а). Если давление над раствором ниже осмотического (р < л), то растворитель будет переходить в раствор до достижения осмотического равновесия в системе.

Равновесное состояние наступает, когда гидростатическое давление между раствором и растворителем, определяемое разностью уровней, станет равным осмотическому давлению (р = тс), (рис 1,1 б).

Если после достижения осмотического равновесия со стороны раствора приложить давление, превышающее осмотическое (р > л), то растворитель начнет переходить из раствора в обратном направлении (рис 1,1 в). В этом случае имеет место обратный осмос. Растворитель, прошедший через мембрану, называют фильтратом.

Движущей силой процесса обратного осмоса является перепад давления Ар = р — 71, где р — избыточное давление под растворомл — осмотическое давление раствора. pQCIBOp.

-.-.ВД-J.

— Jfc n.

V P > 71 раствор НЮ.

— - BQIg- -, a. б. в.

Рис. 1.1 Разделения раствора обратным осмосом.

Для приблизительного расчета осмотического давления может быть использована формула Вант-Гоффа п = xRT, где х — мольная доля растворимого веществаR — газовая постояннаяТ — абсолютная температура раствора [66].

Осмотические давления растворов могут достигать десятков мегапаскалей. Давление в обратноосмотических условиях должно быть значительно больше осмотического, так как эффективность процесса определяется движущей силой — разностью между рабочим и осмотическим давлением [29].

При удалении алкоголя из пива с помощью обратного осмоса избыточное давление со стороны пива составляет примерно 35 бар.

Селекционный процесс мембраны связан только с размером молекул, поэтому через нее проходят маленькие молекулы воды и другие молекулы того же размера, что и алкоголь, таким образом, пиво подвергают концентрирования. Для уменьшения содержания алкоголя ниже 0,5% потребовалась бы 10-кратная концентрация. Это невозможно, поскольку в процессе концентрации постоянно увеличивается осмотическое давление в пивном концентрате. Поэтому специалистами применяется следующий прием: добавляя специально обработанную воду, постепенно пивной концентрат разбавляют до достижения конечного содержания алкоголя, т. е. алкоголь практически вымывается. При использовании этого способа, именуемого также диафильтрацией, вымываются и другие молекулы, в результате чего появляется водянистый вкус пива [42]. Описание технологического процесса осмоса.

При удалении спирта с помощью обратного осмоса (рис. 1.2), заранее отфильтрованное пиво из буферного танка (1) с помощью насоса (2) перекачивается в систему, состоящую из насоса высокого давления (3), обратного клапана (6) и разделительного модуля (4). В разделительном модуле насосом (3) создается давление до 40 бар, и порциями или непрерывно пиво перекачивается сквозь разделительный модуль (4). Разделительный модуль представляет собой фильтровальный аппарат, в котором фильтрующей перегородкой является полупроницаемая мембрана из хлопковой целлюлозы или ацетатцеллюлозы (5). В модуле мембрана установлена тангенциально к направлению потока. Мембранная поверхность постоянно промывается от экстрактивных веществ, прежде всего от глюканов, благодаря возникающим касательным напряжениям.

Вода и спирт проходят сквозь мембрану, невзирая на естественное осмотическое давление, а все большие молекулы остаются в пиве. Ушедшая сквозь мембрану водноспиртовая смесь называется фильтратом (7). Поскольку вода непрерывно уходит, постоянно добавляться вода (8), которая должна быть обессолена и деаэрирована. Благодаря этому содержание спирта заметно уменьшается. Готовое безалкогольное пиво из установки выходит по линии (9).

Такое фильтрование называется фильтрованием в поперечных потоках.

Рис. 1.2 Схема установки обратного осмоса В процессе различают три фазы:

— концентрирование;

— диафильтрация;

— восполнение. Фаза концентрирования.

При прохождении пива через модули образуется около 2,2 л пермеата на гл пива. При этом концентрация спирта и экстрактивных веществ возрастает. Определенная концентрация некоторых веществ, прежде всего р-глюканов, уменьшает проницаемость мембран, что ограничивает производительность установки стадии концентрации пива. Фаза диафильтрации.

В данной фазе концентрированное пиво, взамен ушедшего фильтрата разбавляется обессоленной водой до тех пор, пока не будет достигнуто желаемое содержание спирта. Фаза восполнения.

Концентрированное пиво разбавляется водой до первоначального объема, при этом содержание спирта падает ниже 0,5%. Одновременно пиво насыщается С02, поскольку из-за обратного осмоса и добавления воды в пиве почти не остается диоксида углерода [42].

Пиво после деалкоголизации методом обратного осмоса претерпевает изменения в своем химическом составе, так как при вымывании спирта из пива, вымываются также другие компоненты пива, имеющие размер молекул близкие воде и спирта. Более того, процесс обратного осмоса протекает под большим избыточным давлением, что приводит к увеличению температуры пива.

1.1.2 Диализ.

Теория диализа.

Тенденция к достижению равновесия по обе стороны мембраны является движущей силой процесса и в диализе. Процесс отличается от осмоса, но присутствуют одни и те же вещества — молекулы углеводов, спиртов и т. д., проникающие через мембрану до достижения равновесия, без всякого воздействия какого-либо давления и низкой температуры.

При удалении алкоголя данным методом с одной стороны мембраны подается пиво, охлажденное до 10 °C, при нормальной скорости потока и нормальном давлении. С другой стороны мембраны идет поток несущей жидкости, диализата, вымывающего алкоголь из пива через мембрану и направляющего его на дальнейшую переработку (рис. 1.3). На процесс удаления алкоголя не влияют ни давление, ни температура. Значение имеет только разность концентраций по обе стороны мембраны.

Рис. 1.3 Принцип перехода молекул спирта через мембрану.

В таких специальных приемах, как вымывание при обратном осмосе, нет необходимости. При продолжительности контакта всего лишь в течение 13 секунд процесс удаления алкоголя из пива завершается.

Описание процесса.

При диализе используются мембраны в виде полых волокон с очень малой толщиной стенок. Полые волокна имеют диаметр равный 50 — 200 мкм и обладают микропорами. В одном модуле расположено много тысяч связанных друг с другом микропористых мембран, закрытых с обоих концов. Пиво равномерно продавливается сквозь них, в то время как диализат обтекает полые волокна в обратном направлении, при этом все растворенные вещества, находящиеся по обе стороны мембраны, стремятся достичь равновесия друг с другом. Это означает, что алкоголь из пива будет так долго переходить в диализат, пока с обеих сторон не будет достигнута одинаковая концентрация спирта. Переход алкоголя в диализат осуществляется за счет разности концентраций. Диализат протекает через модули с большей скоростью и меньшим давлением, чем пиво. Количественное соотношение пива к диализату 1: 5 соответственно.

Пиво, подлежащее деалкоголизации, перед входом в модули заранее фильтруется и, переходя через модули, частично или полностью освобождается от спирта. После выхода из модуля пиво охлаждается, карбонизируется и направляется в форфас.

Диализат из модуля поступает в регенерационный теплообменник предварительного нагрева, нагревается за счет теплоты диализата, возвращающегося из колонны (рис. 1.4). После этого теплообменника обогащенный спиртом диализат поступает в кожухотрубный теплообменник для нагрева до технологической температуры. Подогретый диализат попадает в колонну, где он распыляется на элементы насадки с помощью специального распылительного устройства. Распыляемый сверху диализат подвергается термическом деалкоголизации посредством поднимающегося снизу пара из парогенератора.

ПИВО б/а.

ВОДЛ.

Бак диализата Мембранный модуль ПИВО.

ВАКУУМ КОНДЕНСАТ.

Выпарная коллона.

ПАР.

Рис. 1.4 Схема установки диализа Деалкоголизированный диализат собирается в нижней части колонны, из которой насосом перекачивается в регенерационный теплообменник. После предварительного охлаждения, диализат поступает в охладитель, где охлаждается до технологической температуры, после чего поступает в накопительный бак диализата.

Высказывание, что сквозь мембраны диффундирует только спирт, конечно, очень условно. В действительности, пиво теряет при диализе большое количество легколетучих побочных продуктов брожения, СОг и сухих веществ. Это связано с тем, что при обработке диализата вместе со спиртом отгоняется и значительная часть других летучих субстанций, в особенности эфиров и высших спиртов. Снижение содержания некоторых эфиров может достигать до 65%. Но во всех других способах удаления спирта никогда не происходит исчезновения одного лишь этанола, поскольку другие летучие вещества претерпевают похожие со спиртом процессы. Несмотря на это, диализ остается сегодня наиболее современным хотя и дорогостоящим методом снижения содержания спирта.

Чтобы избежать вымывания с несущей жидкостью помимо алкоголя и других компонентов пива, фирма APV разработала диализные установки, где в качестве несущей жидкости используется такое же пиво, из которого необходимо удалить алкоголь. Это пиво проходит технически упрощенную вакуумную дистилляцию, в процессе которой алкоголь удаляется, и затем оно закачивается назад на мембрану. Там оно, как было описано выше, выводит алкоголь из основного пива и вновь поступает на вакуумную дистилляцию. Таким образом, цикл завершается. В течение всего этого процесса диализат остается в цикле, как правило, процесс длится пять суток без необходимости проведения мойки установки. Небольшое избыточное давление со стороны пива препятствует переходу в него термических побочных продуктов, отвечающих за «вареный вкус» .

Используются диализные мембраны немецкого производства. Эти мембраны (но в другой модульной конфигурации), используются также для очистки крови у людей с почечной недостаточностью. Этот щадящий способ, используемый в медицинских целях, успешно адаптирован к процессу удаления алкоголя из пива.

Выводы.

1. Установлено, что для обеспечения необходимых органолептических показателей безалкогольного пива, в состав засыпи следует включить специальные солода: мюнхенский — 15 — 18%, светлый карамельный — 15 -18%, мюнхенский карамельный — 10 — 12%, кислый — 8%.

2. Для получения необходимого углеводного и азотистого состава сусла затирание следует проводить со скачкообразным нагревом затора: гидромодуль при 52 °C — 1 + 2,5- длительность 25 — 30 мин. Нагрев затора с 52 °C до 72 °C следует осуществлять в течение 2−3 мин и выдержку при 72° С до полного осахаривания.

3. Рекомендовано использовать для производства безалкогольного пива штамм пивных дрожжей W34/70, обладающий повышенным уровнем накопления вторичных метаболитов, и штамм А12 с низкой бродильной активностью.

4. Установлена зависимость между температурой, величиной засева и скоростью утилизации углеводов сусла дрожжами W34/70 и рекомендован температурный диапазон брожения 6.8° С и величина засева 1.5×106 кл/см3.

5. Для регулирования содержания вторичных метаболитов дрожжей предложены режим барботирования и карбонизации безалкогольного пива.

6. Разработаны технологии безалкогольного пива с использованием низкосбраживаемого штамма дрожжей А12 и бродящего пива в стадии высоких завитков дрожжами W34/70.

7. Разработана нормативно-техническая документация для производства безалкогольного пива с использованием бродящего сусла в стадии высоких завитков (W34/70). ,.

8. Экономический эффект при производстве^ безалкогольного пива с использованием разработанной технологии составил около 8 млн руб. на 1 млн. дал в год.