СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ КОЛЛОИДНОЙ СТОЙКОСТИ

Коллоидную стойкость готового пива можно повысить химичес­кими, адсорбционными, ферментативными способами.

ХИМИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ КОЛЛОИДНОЙ СТОЙКОСТИ

К химическим способам стабилизации пива относят осаждение белков пива таннином, добавление восстанавливающих веществ аскорбиновой кислоты, сульфитов, формальдегида, пероксида во­дорода.

Таннин обладает кислотными свойствами, которые обусловле­ны функционально активными фенольными группами в его моле­кулах. Поэтому он вступает во взаимодействие с основаниями, главным образом с белками, а также с металлами, осаждая их. Таннин можно вносить в пиво на разных стадиях производства в дозе от 2 до 7 г/10 дм³ в зависимости от типа пива и используемой технологии. При передозировке таннина вместо увеличения стой­кости происходит усиление помутнения пива. Кроме того, пиво, обработанное таннином, как правило, приобретает пустой вкус, особенно если оно окислено.

Одно из основных свойств аскорбиновой кислоты — ее восста­навливающая способность. В кислой среде при обычной температу­ре она быстро связывает кислород воздуха в соотношении: один атом кислорода на одну молекулу кислоты. Аскорбиновая кислота и ее соли устойчивы в сухом состоянии, но в виде раствора активно взаимодействуют с кислородом воздуха.

Будучи легкоокисляемой, аскорбиновая кислота защищает от действия кислорода другие окисляемые вещества пива. Защитная роль аскорбиновой кислоты основана на скорости ее окисления, значительно превосходящей таковую у других компонентов пива. Таким действием кислоты достигается улучшение вкуса пива в ре­зультате снижения содержания растворенного кислорода и значе­ния гН₂, но вместе с тем у пива повышается стойкость к окислитель­ному помутнению, к изменению цвета и вкуса. Для усиления эф­фективности стабилизации обычно аскорбиновую кислоту и суль­фиты рекомендуют применять в сочетании с протеолитическими ферментными препаратами.

Формальдегид вносят на стадии приготовления солода, при этом эффективность действия зависит от дозы формальдегида и сорта ячменя. В результате содержание антоцианогенов в сусле снижает­ся на 10 % уже при дозе формальдегида 100 мг/кг ячменя. Добавляя в сусло или лучше в заторную воду 10—50 мг пероксида водорода 1 кг солода, можно значительно уменьшить в сусле содержание антоци­аногенов и повысить стойкость полученного из него пива. Действие пероксида водорода катализирует полимеризацию полифенолов, которые, реагируя с белками, образуют нерастворимые комплексы, удаляемые затем при охлаждении и фильтровании сусла.

Однако химические способы стабилизации состава пива ме­нее эффективны по сравнению с адсорбционными и фермента­тивными.

АДСОРБЦИОННЫЕ СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ КОЛЛОИДНОЙ СТОЙКОСТИ

Вначале рассмотрим общую характеристику процессов адсорбции.

Для макромолекул характерна большая поверхность и соответ­ствующая ей энергия поверхностного натяжения. Если поверхность коллоидных частиц нельзя уменьшить, то энергию можно умень­шить путем их адсорбции на поверхности веществ, понижающих поверхностное натяжение, либо концентрированием этих частиц на поверхности жидкости.

В зависимости от природы сил различают физическую адсорб­цию и хемосорбцию.

Физическая адсорбция осуществляется обычными межмолеку­лярными силами, но действует между молекулами, находящимися в разных фазах. При этом взаимодействуют электронные оболоч­ки, а потенциал их взаимодействия складывается из энергии при­тяжения и энергии отталкивания. С полярными молекулами фи­зическая адсорбция на ионитах представляет собой дипольное взаимодействие, а адсорбция неполярных молекул осуществляет­ся под действием ван-дер-ваальсовых сил. Хемосорбция — это двумерная химическая реакция, не выходящая за пределы поверх­ностного слоя.

Важнейшая характеристика адсорбентов — пористость. Для сплошных частиц она представляет собой промежутки между зер­нами. Пористые частицы имеют зерна с внутренней поверхностью и у них кроме межзерновой есть внутренняя пористость. К первым относят сажу, ко вторым — силикагель (поликремниевую кислоту), активный уголь, пористые стекла, цеолиты.

Ионы внутренней поверхности адсорбентов связаны с каркасом решетки химическими связями. Ионы внешней поверхности — лю­бые по природе, энергия их взаимодействия с твердой фазой оказы­вается значительно меньше, чем энергия химических связей в твер­дых телах. Поэтому противоионы обладают значительной подвиж­ностью, они непрерывно обмениваются ионами в растворе. Основ­ные закономерности ионного обмена сохраняются с ростом дисперсности адсорбента, они характерны и для пористых адсор­бентов.

На внешней поверхности адсорбента противоионы удерживают­ся кулоновскими силами, прямо пропорциональными заряду иона и обратно пропорциональными квадрату расстояния от центра противоиона до центра тяжести — заряда аниона внутренней поверх­ности. Поэтому адсорбционная способность увеличивается с уве­личением заряда иона, а для равнозарядных ионов — с уменьшени­ем радиуса гидратированного иона.

Если вещество амфотерно, то изменение рН среды приводит к изменению отрицательного заряда поверхности на положительный через изоэлектрическую точку (ИЭТ). В кислой среде поверхность белков несет положительный заряд, обусловленный преимуще­ственной диссоциацией основных аминогрупп. Для большинства белков константа диссоциации СООН-групп превышает таковую для аминогрупп, и ИЭТ для них сдвигается в кислую область.

Адсорбционные способы стабилизации пива заключаются в уда­лении веществ, потенциальных образователей мути, посредством адсорбции их нерастворимыми в пиве адсорбентами. В качестве ад­сорбентов применяют как неорганические, так и органические со­единения природного и синтетического происхождения. В зависи­мости от направленности действия и свойств их целесообразно раз­делить на две группы: вещества, адсорбирующие преимущественно полипептиды, и вещества, адсорбирующие главным образом поли­фенолы.

Использование природных адсорбентов.Природными адсорбен­тами полипептидов являются диатомиты, перлит, бентониты, ак­тивный уголь, силикагели. Природные цеолиты адсорбируют как белки, так и полифенолы.

Диатомитовый (кизельгуровый) адсорбент в виде порошка полу­чают размалыванием прокаленной породы, состоящей из кремнис­тых панцирей одноклеточных диатомовых водорослей. По химическому составу он представляет собой гидратированный кремне­зем с примесью песка, гидроксида железа и органических веществ. Панцири полые внутри, благодаря чему диатомит обладает высокой пористостью и хорошими сорбирующими свойствами. Содержание диоксида кремния в нем составляет 55—95 %.

Диатомит по внешнему виду похож на кварцевый песок, но сложнее по структуре. Песок имеет простейшую шаровидную структуру. Размеры панцирей диатомита в 10 раз меньше самого тонкого мелкоизмельченного песка, поэтому их поверхность боль­ше и, следовательно, фильтрующий эффект выше. Диатомит добы- ^п вают, потом обрабатывают — кальцинируют сухим или мокрым способом с целью добиться инертности, дисперсности и стабиль­ной пропускной способности. В состав диатомита входят кремне­зем, а также оксиды Fe, Al, Ti, Ca, Mg и щелочных металлов. После обработки на поверхности минерала образуются силикат натрия, а также оксиды натрия, кремния, алюминия и железа (80—90 %). Большое количество алюминия нежелательно, так как силикаты алюминия имеют аморфный характер и ухудшают фильтрацион­ную проницаемость адсорбента. Преимущества диатомита — хоро­ший осветляющий эффект. Он дает микробиологическую чистоту при высокой скорости фильтрования и хороших экономических показателях процесса.

Диаметр частиц (d_3KB) < 2 мкм — 2—22 %, от 2 до 6 — 1,5—42 %, от 6 до 10 - 2-24 %, от 10 до 20 - 9-30 %, от 20 до 40 - 2-20 %, от 40 до 60-2-20%, > 60 мкм-0-10%; плотность 2-2,3 г/см³; на­сыпная масса 200 кг/м³.

Фильтрование через диатомит носит характер поверхностного механического фильтрования. При фильтровании коллоидная стойкость улучшается незначительно, нужно дополнение стабили­зирующими средствами.

Перлит имеет качественный состав, как у диатомита, но содер­жит преимущественно силикат алюминия; насыпная масса 80— 100 кг/м³, плотность 1,8—2,2 г/см³.

Бентонит представляет собой смесь минералов группы монтмо­риллонита и бейделлита. По составу это алюможелезомагниевые силикаты, обладающие пористостью, на их поверхности находятся гидроксильные группы кислотного и основного характера, а также обменные катионы. Для них характерно слоистое строение крис­таллической решетки, способность к обмену с основаниями и по­глощению воды, которое сопровождается резким увеличением объема минерала — набуханием. Он впитывает 16-кратное количе­ство воды.

Бентониты имеют возможность образовывать с водой студнеобразные массы и при сильном разбавлении очень стабильные сус­пензии, обладают также выраженными адсорбционными свойства­ми. Бентониты, как правило, активируются серной кислотой или щелочами. Чаще применяют Na-бентониты.

Механизм взаимодействия бентонита, так же как диатомита, с белковыми компонентами пива носит коагуляционный (флокуляционный) характер, не сопровождающийся химическими реакция­ми между частицами, и осуществляется главным образом за счет ад­гезии. При этом частицы минералов образуют с белками крупные агрегаты, представляющие собой послойные структуры, в которых второй и последующие слои возникают за счет сил когезии между одноименно заряженными частицами.

Недо­статками их использования являются следующие: необходимость вносить в пиво большие дозы минерала (100—300 г/10 дм³) для обеспечения существенного стабилизирующего эффекта, ухудше­ние цвета пива и стойкости пены. Кроме того, пиво, полученное с использованием бентонитов, может иметь землистый привкус, а из-за высокой набухаемости бентонита образуется осадок, возника­ют значительные потери (до 3 %) пива и оно обогащается избыточ­ным количеством катионов кальция и натрия.

С точки зрения химических свойств бентонит совершенно без­вреден для организма.

Силикагели чаще применяют при производстве стойкого пива. Эти адсорбенты не набухают и поэтому работать с ними легче, чем с бентонитами, но при дозировке они распыляются и стабилизиро­ванное силикагелями пиво обычно имеет пониженную пенистость. Силикагели адсорбируют в основном белковые соединения фрак­ций А и В. Применять их рекомендуют при дображивании, а также совместно с аскорбиновой кислотой в качестве антиокислителя или с протеолитическими ферментными препаратами. Например, ис­пользование протеолитического фермента 2,5 г/10 дм³ и силикагеля 30 г/10 дм³ позволяет достигнуть стойкости пива в течение 6—8 мес. Силикагельные адсорбенты повышают не только коллоидную, но и биологическую стойкость пива.

Силикагель — полимеризованная конденсированная кремние­вая кислота в виде гидрогеля. Его твердая фаза — скелет волокон поликремниевой кислоты, пространство между ними заполнено водой. Удалением воды силикагель активируют и получают порис­тый ксерогель, содержащий пустоты — поры. Диаметр пор 3— 20 нм, удельная поверхность 200—500 м²/г, удельный объем пор 0,4—1,2 см³/г, средняя плотность 300—1000 кг/м³. Поверхность гра­нул кремниевой кислоты покрыта гидроксильными радикалами. Их количество определяет адсорбционную способность силикагеля сорбировать высокомолекулярные продукты гидролиза белков.

При адсорбции на поверхности адсорбентов силикатного или алюмосиликатного типа вклад в адсорбционное взаимодействие вносит водородная связь между адсорбентом и адсорбатом:

Ионы в растворе — носители электрического заряда, поэтому их адсорбция сопровождается перераспределением зарядов, возникновением в области поверхностного слоя электрического поля. Возникает двойной электрический слой (ДЭС). Для силикагеля он образуется за счет поверхностной диссоциации вещества твердой фазы: Доза внесения силикагеля в пиво 50-250 г/дм³.

Цеолиты (ЦТ) являются алюмосиликатами кристаллического строения, включающими полости и каналы, занятые катионами и молекулами воды. При нагревании ЦТ молекулы воды удаляются и получается тонкопористое активное тело, причем суммарный объем пустот (пор, каналов) часто достигает 50 % общего объема. Диаметры входных окон в пористую структуру имеют молекуляр­ные размеры, их величина и определяет способность ЦТ разделять смеси веществ в зависимости от геометрических характеристик мо­лекул.

Автором разработаны пути комплексного применения природ­ных цеолитов в производстве напитков с целью улучшения качества сырья, готовой продукции, интенсификации их производства, осо­бенно обеспечения гигиенической безопасности, стойкости при хранении.

Цеолиты как сорбенты можно использовать для повышения коллоидной стойкости и микробиологической чистоты.

Активный уголь как адсорбент кроме взаимодействия с поли-пептидами неселективно адсорбирует красящие и ароматические компоненты пива, поэтому при его применении могут обедняться вкус и аромат пива. Уголь в первую очередь фиксирует коллоидные компоненты пива с большой молекулярной массой, но не задержи­вает летучие продукты. Активный уголь адсорбирует азотистые ве­щества хуже бентонитов. Он извлекает из пива также полифенолы, горькие вещества.

Из природных полимеров, адсорбирующих полифенолы, ис­пользуют казеин, желатин.

Желатин — это водорастворимый продукт денатурации коллаге-новых волокон. Желатин — полиэлектролит, его используют для обратимых коллоидных помутнений, особенно при большом со­держании фенольных веществ. При добавлении диоксида кремния расход желатина уменьшается на 30 %.

Механизм удаления компонентов коллоидного помутнения из пива с применением белков заключается в следующем. Белки в кис­лой среде пива обладают свойствами поливалентных основании. Вследствие ионизации основных азотсодержащих групп частицы этого адсорбента в пиве заряжены положительно и вступают во вза­имодействие с полифенолами, в результате чего образуются плохо растворимые комплексные соединения различной степени замеще­ния Выпадение комплексов в осадок ускоряют присутствующие в пиве катионы кальция и особенно железа. Они укрупняют частицы за счет образования межмолекулярных мостиков в молекулах поли­фенолов, поэтому процессы агрегации комплексов и выпадения их в осадок ускоряются.

ПРИМЕНЕНИЕ СИНТЕТИЧЕСКИХ АДСОРБЕНТОВ.

Полиамиды — это крис­таллические полимеры. Структурирование полипептидной связи с полифенолами происходит через водородные мостики, образую­щиеся между гидроксильными группами полигидроксифлавонов и пептидными связями полиамидов.

Полиамиды снижают в-пиве содержание преимущественно антоцианогенов, но частично извлекают горькие вещества. Доза вне­сения в пиво полиамида составляет 80—150 г/дм³.

Нейлон получают полимеризацией алифатической дикарбоновой кислоты с диамином, в частности конденсацией диамина с адипиновой кислотой. Он связывает в пиве окисляемые и конденсиру­емые фенольные соединения, особенно антоцианогены. Однако стоимость адсорбента достаточно высока и сложна его регенерация.

Поливинилпирролидон (ПВП) также имеет пептидную связь и взаимодействует с полифенолами, частично растворим в пиве; по­лучают также его нерастворимую форму (ПВПП), но он очень доро­гой. Его регенерируют NaOH.

ПВП является наиболее эффективным адсорбентом полифено­лов из пива. Его формула

Этот полимер обладает повышенной способностью к образова­нию водородных связей и поэтому вызывает осаждение веществ, имеющих подвижный атом водорода, в первую очередь соединений фенольной природы. Повышенная способность ПВП к образова­нию водородной связи объясняется тем, что функциональная груп­па этого полимера

ПВП осаждается и флокулирует под действием полифенолов по­добно белковым адсорбентам. Но при его использовании возникает опасность неполного удаления полимера из пива, поэтому пред­почтительнее использовать ПВПП.

Эффективность применения поливинилпирролидона в несколь­ко раз выше, чем полиамидов. Его доза составляет 10—50 г/дм³. Он реагирует прежде всего с простыми полифенолами, поэтому не вли­яет заметно на органолептические свойства пива. ПВП можно реге­нерировать, что значительно снижает стоимость способа обработки пива.

ПВПП существенно повышает стойкость пива к холодному по­мутнению и окислительным превращениям при удалении из пива до 70—80 % первоначальной концентрации антоцианогенов.

Адсорбент Sorsilen по структуре является полиэтилентерефтала-том. Сорбция полифенолов из пива происходит за счет связи с ароматическими ядрами адсорбента. В дозе 50—100 г/дм³ он использу­ется вместе с диатомитом.

Особенно эффективны адсорбенты полифенолов при совмест­ном использовании с ферментными препаратами — протеолити-ческими или амилолитическими. Самостоятельное применение ад­сорбентов не может в полной мере обеспечить требуемую коллоид­ную стойкость пива.

ФЕРМЕНТАТИВНЫЕ СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ КОЛЛОИДНОЙ СТОЙКОСТИ

Эту группу способов стабилизации коллоидного состава пива считают одной из наиболее простых и эффективных.

С учетом специфичности действия ферментов можно применять ферменты для гидролиза именно тех веществ пива, которые вызы­вают помутнение. Так как вначале доминирующую роль в процессе возникновения помутнения в пиве приписывали белкам, то иссле­дования в области применения ферментов для стабилизации пива проводили в направлении поиска и изучения протеолитических ферментов.

Применение протеолитических ферментов.Многие ферментные стабилизаторы пива содержат животные протеиназы, но большин­ство из них получают с использованием растительных протеолити­ческих ферментов: папаина, бромелина и фицина, а также препара­тов микробного происхождения.

Наиболее широко в промышленных препаратах-стабилизаторах применяют протеиназы типа папаина.

Внесение амилоризина ПХ в сусло в начале брожения из рас­чета 2—8 г/дм³ в сочетании с 2—6 г/дм³ аскорбиновой кислоты, до­бавляемой в пиво при дображивании, позволяет повысить стой­кость пастеризованного Жигулевского и Рижского пива до 4— 5 мес.

Глав­ную роль в расщеплении белковых веществ пива, в повышении его стойкости играют содержащиеся в препарате кислые протеазы.

Для ускорения процесса осветления сортового пива с большой исходной плотностью сусла и высоким содержанием алкоголя, ко­торое часто не осветляется при выдержке даже в течение 90 сут и плохо фильтруется, рекомендуется применять цитороземин ПХ и П10Х. Проведены исследования по применению протосубтилина П0Х для повышения коллоидной стойкости пастеризованного пива на стадии внесения в охмеленное сусло. Физико-химические и органолептические показатели полученного пива соответство­вали технологическим требованиям, а стойкость пастеризованно­го опытного пива была в два раза выше контрольных образцов.

Чтобы удалить вещества холодной мути, было предложено обра­батывать пиво жидким раствором папаина в сочетании с пиросульфатом натрия, сорбитом или фитином.

Готовое пиво можно обрабатывать ферментными препаратами (коллупулин, папаин) совместно с различными адсорбентами (бентопур, стабиквик и гелевый бентонит). Наибольшая стойкость пива (6 мес) получена для образцов, обработанных ферментами и бенто­нитом. При использовании неорганических адсорбентов в пиве уменьшалось содержание полифенолов и антоцианогенов, возрас­тала пеностойкость. Для получения пива с длительным сроком хра­нения во время дображивания необходимо проводить его предвари­тельную обработку ферментными препаратами, а после первого ос­ветления — обработку адсорбентами.

Применение полифенолоксидазных препаратов.Полифенолоксидаза, о-дифенол оксид аза, тирозиназа, катехиноксидаза — широко

распространенные в природе ферменты класса оксидоредуктаз. ПФО — это содержащий медь (0,2-0,3 %) белок с различной моле­кулярной массой (например, 34 500 — в грибах, 144 000 — в чайном листе). Он катализирует реакцию окисления о-дифенолов, а также моно-, три- и полифенолов с образованием соответствующих хино-нов, причем: акцептором водорода служит молекулярный кислород. ПФО участвует в дыхании растительных клеток.

Обработка сусла полифенолоксидазными препаратами суще­ственно не влияет на содержание в нем мальтозы, аминного азота, рН. Цветность же сусла возрастает по сравнению с конт­ролем при увеличении дозы вносимого ферментного препарата, что связано с окислением полифенолов при повышенной температуре. Окисление полифенолов сопровождается их конденсацией, в ре­зультате которой образуются продукты высокой молекулярной мас­сы. Конденсация полифенолов может идти также под влиянием ка­талитического действия кислот.

Наиболее эффективна совместная обработка фер­ментом и сорбентом.

Перспективным является применение для стабилизации пива нерастворимых иммобилизованных ферментных препаратов. Им­мобилизованные ферменты связаны нерастворимым веществом — носителем, как правило, полимерной природы и имеют следующие технологические и экономические преимущества:

сохраняют частично или полностью активность исходного (на-тивного) фермента;

могут применяться многократно благодаря простому удалению из реакционной смеси фильтрованием;

их применение позволяет автоматизировать и контролировать процесс;

они значительно более устойчивы к внешним воздействиям сре­ды (рН, температура) и имеют более длительный срок хранения;

ферментативный катализ регулируется необходимой степенью гидролиза.

Получение иммобилизованных ферментов.Иммобилизованный фермент представляет собой биокаталитическую гармоничную сис­тему, действие которой определяется правильным подбором трех основных составляющих^фермента, носителя и способа связывания фермента с носителем (рис. 45).

Количество, стабильность и биологическая активность связан­ного фермента зависят непосредственно от свойств носителя. Но-

сители для иммобилизации ферментов разделяют на природные и синтетические полимеры. Они могут быть в виде гранул, порошка, ткани, бумаги, полых волокон, трубок, пленок и т. п.

Иммобилизация ферментов на носителях независимо от их при­роды осуществляется следующими типами связи:

адсорбция ферментов на пористом стекле, древесном угле, цел­люлозе, синтетических ионообменных смолах, диатомите и др.;

включение в гель полимеров — полиакрил амида, кремниевой кислоты;

ковалентное связывание ферментов с би- или полифункцио­нальными носителями непосредственно или после активирования их поверхности;

микрокапсулирование;

закрепление фермента на клеточной стенке микроорганизма по­средством ковалентной связи между активными группами белка фермента и полисахарида клеточной стенки при участии солей тя­желых металлов.

Обобщающая схема методов иммобилизации ферментов (£) по­казана на рис. 46.

Первое деление методов иммобилизации ферментов основано на учете характера того процесса, с помощью которого проведена иммобилизация: или путем заключения фермента в ограниченное пространство, или путем связывания его с поддерживающим мате­риалом или носителем. Ферменты, иммобилизованные путем зак­лючения в ограниченное пространство, в свою очередь, подразде­ляют согласно структуре захватывающей системы. Здесь различают системы с одиночным замкнутым пространством, как при микро-капсулировании, и системы с многими мелкими пространствами, как при матричном способе.

Адсорбция является самым простым и дешевым методом иммо­билизации, но она не дает возможности получить необратимой свя­зи, что приводит к значительной потере адсорбированных фермен­тов в процессе использования. Активность ферментов при адсорб­ции сохраняется на 4—70 %, хотя известны случаи, когда иммоби­лизованные ферменты, полученные методом адсорбции, сохра­няют активность длительное время без десорбции с носителя. На­пример, галактозидаза, адсорбированная на диэтиламиноэтил (ДЭАЭ) целлюлозе, сохраняла свою активность при температуре 5—7 °С в течение трех лет. Активность папаина, адсорбированного на стекле, не изменялась в течение 4 мес.

Ковалентные методы иммобилизации ферментов получили наи­большее распространение, они имеют две разновидности:

образование ковалентной связи между молекулами ферментов при помощи низкомолекулярного бифункционального реагента путем поперечной сшивки;

Иммобилизованные ферментные препараты сохраняют высо­кую протеолитическую способность в пределах 82—94 % по сравне­нию с активностью исходных ферментных препаратов. Вместе с тем амилоризин ШОХ, иммобилизованный на носителе АВ-17-С, по­высил активность по сравнению с активностью нативного фермен­та на 14 %. Повышение активности иммобилизованного фермента по сравнению с растворимой формой свидетельствует о том, что на носителе закрепляется в основном активная белковая часть препа­рата.

Применение иммобилизованных ферментов.Существуют различ­ные способы обработки пива иммобилизованными ферментами. Наиболее рациональным является применение колонок, напол­ненных иммобилизованным ферментом, через которые непрерыв­ным потоком протекает пиво. Однако при этом достаточно быстро может снизиться активность иммобилизованного ферментного препарата. Кроме того, использование колонок приводит к необхо­димости применения карбонизации и тщательной фильтрации пива. Поэтому используется другой способ обработки пива иммо­билизованными ферментами — в реакторе. После одного цикла об­работки пиво может быть декантировано со слоя препарата, а реак­тор заполнен новой порцией пива.

56

СПИРТОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

При производстве спирта из крахмалистого сырья (картофеля, раз­личных видов зерна) используются ферментные препараты с амилолитической, цитолитической и протеолитической активностью.

Выход спирта в значительной мере зависит от полноты осахаривания сырья, то есть превращения крахмала и некрахмальных полисахаридов в сбраживаемые сахара. Для осахаривания применяют солод и микробные ферментные препараты. Осахаривание проводят по схеме: запаривание при 100°, охлаждение, разжижение амилолитическими ферментами, разва­ривание разжиженного затора при 133° для достижения полноты клейстеризации крахмала, охлаждение и осахаривание амилолитическими фер­ментами.

В процессе запаривания большая часть крахмала, содержащегося в сырье, клейстеризуется, что приводит к сильному повышению вязкости, препятствующей полному развариванию и клейстеризации. После охлаж­дения затора до 70° в него вносят ячменный солод или бактериальную амилазу (амилосубтилин ГХ или ГЗХ) в количестве 1,5...2 ед. а-амилазы/г крахмала. Действие а- амилазы приводит к быстрому снижению вязкости затора, который после этого разваривают при 133°. При этом желатинизируются крахмальные гранулы, не набухшие на стадии запаривания.

Использование амилаз невысокой термостабильности делает необ­ходимым проведение клейстеризации - разжижения в три стадии. С помощью препаратов термостабильной а-амилазы, таких как Термамил, Така-Терм, можно осуществлять непрерывный процесс клейстеризации - разжижения вплоть до температуры полной желатинизации. В концент­рированных растворах крахмала, в присутствии микродобавок солей кальция Термамил стабилен более 3 ч при 100°. Совмещение разжижения и разваривания существенно повышает эффективность процесса. Непре­рывный гидролиз клейстеризующегося крахмала, переход продуктов реакции в раствор способствует более быстрому набуханию крахмала во внутренних областях частиц сырья. За счет этого может быть сокращена продолжительность процесса, а его максимальная температура понижена до 110...115° (температуры полной желатинизации крахмальных гранул).

При использовании термостабильной амилазы существенно снижается расход фермента на единицу сырья.

Полное осахаривание разжиженного крахмала достигается с по­мощью микробной глюкоамилазы или амилолитического комплекса соло­да. В отечественной практике обычно применяют глюкаваморин ГХ или амилоглюкаваморин ГХ. Оптимум действия глюкаваморина (рН 4...5,5) соответствует активной кислотности бражки (рН 4,2...5,2). Это сущест­венно, поскольку на стадии осахаривания сырья, в закрытой системе, где из сферы реакции не выводится глюкоза, процесс гидролиза крахмала проходит не полностью. Он продолжается в процессе брожения, по мере потребления глюкозы дрожжами, что сдвигает равновесие ферментатив­ной реакции, катализируемой глюкоамилазой.

Общая продолжительность процесса брожения зависит от дозировки глюкоамилазы. При регламентированном соотношении 6 ед. глюкоами­лазы на 1 г крахмала брожение длится 72 ч, при повышении дозы до 15 ед/г крахмала процесс заканчивается за 48 ч.

Применение микробной глюкоамилазы позволяет увеличить степень сбраживания на 1,3... 1,5 % по сравнению с вариантом осахаривания соло­дом.

Снижение дозировок глюкоамилазы и интенсификация брожения возможны при увеличении количества биомассы дрожжей. Для этого вносят в сусло повышенные дозы посевного материала или создают условия для размножения дрожжей. Второй путь более рационален.

Скорость размножения дрожжей в сусле ограничена содержанием свободных аминокислот. Амилолитические ферментные препараты имеют низкую сопутствующую эндопептидазную активность, и в процессе осахаривания белок сырья расщепляется слабо. Для повышения степени гидролиза белка в пшеничное сусло на стадии осахаривания вводили препарат протооризин, выделенный из культуры гриба A. oryzae. Препарат не обладал амилолитической и цитолитической активностью. Протеолитический комплекс включал сериновую, карбоксильную и металлопротеазу, лейцинаминопептидазу и карбоксипептидазу. Добавление протеолитического препарата приводило к увеличению накопления биомассы дрожжей в 2 раза, продолжительность главного брожения сократилось с 32...36 до 18...20 ч, дображивания - с 36...42 до 20...24 ч. Интенсивное сбраживание Сахаров сопровождалось повышением степени гидролиза крахмала глюкоамилазой. Наличие в среде свободных аминокислот, их прямое включение в клетки дрожжей привело к снижению затрат глюкозы на энергетический и конструктивный метаболизм. Более экономичное использование глюкозы дало увеличение выхода спирта на 2,8%. Парал­лельно снизилось количество побочных продуктов брожения на 19%, а в пересчете на клетку - в 2,4 раза. При дозировке глюкоамилазы 6 ед/г крахмала и протеазы 1 ед/г крахмала (или 5 ед/г белка) брожение заканчивалось за 42..,46 ч, при повышении дозировок соответственно до 15 и 1,6 ед/г крахмала продолжительность брожения сокращалась до 28 ч.

Дрожжи, выращенные на среде с богатым азотистым питанием, имеют повышенную осмофильность и толерантность к продуктам брожения, что позволяет сбраживать за 72 ч сусло с содержанием сухих веществ 22% вместо обычных 16%, получая соответствующие техноло­гические показатели.

В крахмалосодержащем сырье часть крахмала экранирована струк­турными элементами клеточных стенок запасающей части и покровными тканями. Гидролиз структурных полимеров цитолитическими ферментами повышает доступность крахмала действию амилолитических ферментов. Кроме того, при гидролизе целлюлозы, ксилоглюкана, 1,3-1,4-β-глюкана образуется глюкоза. Суммарный резерв сбраживаемых сахаров, образу­ющихся при обработке зернового сырья цитолитическими ферментами, дает увеличение выхода спирта из единицы сырья на 10...12%. В качестве препаратов цитолитических ферментов обычно используют культураль-ную жидкость грибов рода Trichoderma, которую вносят в затор на стадии осахаривания.

Классическая энергоемкая схема спиртового брожения, основанная на разваривании крахмалистого сырья при высокой температуре, со временем может быть заменена низкотемпературной технологией. Это возможно при использовании ферментов, гидролизующих сырой (неклейстеризованный) крахмал. Такие ферменты найдены (см. раздел 1.2.2). Глубокий гидролиз сырого крахмала происходит при одновремен­ном действии микробной а-амилазы и глюкоамилазы.

Другой путь снижения энергозатрат на осахаривание сырья - зто использование электрохимически активированной воды (ЭХА-воды) на стадии водно-тепловой обработки. Это позволяет производить холодное затирание при температуре 90°. Молотое зерно с диаметром частиц 0,5…1 мм суспендирует в ЭХА-воде с рН 1,7 и ОВП 1100 мВ, при гидромодуле 1:4, и нагревают до 90° со скоростью 1,5° в минуту. Гидролиз глюко-амилазой проводят по охлаждении затора до 56°, при рН 4 и дозировке фермента 6 ед/г крахмала. При холодном затирании в ЭХА-воде не используется а-амилаза, снижается степень расщепления крахмала и потери сбраживаемых Сахаров и аминокислот за счет аминосахарной | реакции. Ограничение степени расщепления крахмала способствует его более глубокому гидролизу на стадии осахаривания глюкоамилазой. Уровень содержания сухих веществ и редуцирующих Сахаров в сусле повышается на 13% по сравнению с контрольным вариантом (запаривание - разжижение амилазой - разваривание). Сусло сбраживается за 60 ч (в контроле за 72 ч), а качественные показатели зрелой бражки свидетель­ствуют о преимуществах нового способа (табл. 4.1). Выход этанола увеличивается на 4,8% и достигает 66,35 мл на 100 г крахмала сырья. Дополнительное увеличение выхода спирта можно получить при обработ­ке затора цитолитическим препаратом ксилакомом в концентрации 0,5% к массе сырья. Препарат вносят на стадии осахаривания.

57

В производстве используют воду из городского водопровода или воду из артезианских скважин, ее фильтруют, умягчают, удаляют соли железа и обеззараживают. Такую обработку промышленной воды называют кондиционированием. Кондициони­рование воды способствует улучшению ее вкуса и обесцвечиванию.

В безалкогольные напитки диоксид углерода вводят искусствен­но, он легко образует в воде насыщенные растворы. Растворимость газа СО₂ зависит от темпе­ратуры и давления и ее можно определить по гра­фику

С повышением давления или понижением температу­ры растворимость диоксида углерода увеличивается. Наиболее благоприятными и практически достижимыми для насыщения воды диок­сидом углерода можно при­нять температуру 1-2°С и давление 0,30-0,35 МПа. Температура воды не долж­на превышать 4°С.

На растворимость СО₂ значительно влияют состав и концентрация растворенных в воде минеральных солей, веществ коллоидной дисперснос­ти, воздуха. Минеральные соли, вступая в реакцию с диоксидом углерода, связывают его, а вещества коллоидной дисперсности снижают активность насыщения напитков СО₂. Лучше всего гази­руется умягченная вода,

Присутствие в напитках воздуха, как и любого другого газа, сни­жает растворимость СО₂, поэтому их перед сатурацией для более полного насыщения деаэрируют (удаляют воздух) в специальном аппарате - деаэраторе. Деаэрацию воды проводят при остаточном давлении в аппарате 37,5-40 кПа и температуре 4-7°С.

Продолжительность процесса сатурации влияет на глубину насы­щения воды: при медленном увеличении рабочего давления в колон­ке степень насыщения воды или напитка диоксидом углерода увели­чивается, а при быстром повышении давления происходит пересы­щение раствора и избыток СО₂ улетучивается. Длительное газирование воды целесообразно только до определенного предела, не более 1 ч.

В среднем содержание диоксида углерода в газированных напитках не превышает 0,4%, следовательно, потери его достигают 70—80%. С целью экономии диоксида углерода стараются избегать лишних пере­качек газированных жидкостей по протяженным коммуникациям, повышенных давлении и скорости потока. Путь воды от холодильника до сатуратора должен быть по возможности коротким, а трубопрово­ды и сборники для охлажденной воды покрыты теплоизоляцией.

Диоксид углерода — бесцветный газ, в 1,5 раза тяжелее воздуха. 1 дм³ в нормальных условиях весит 1,98 г. При растворении диоксида углерода в воде образуется угольная кислота (СО₂ + Н₂О = Н₂СО₃). При этом только не больше 1% растворенного СО₂ превращается в угольную кислоту.

Диоксид углерода доставляют на завод безалкогольных напитков в баллонах или цистернах (под давлением), снабженных редукцион­ным вентилем и манометром.

58