5.3. Белковый отстой и его утилизация
Из 100 кг зернопродуктов получают в среднем 2-3 кг белкового отстоя влажностью 80 %. Он содержит более 35 % белковых веществ и мог бы служить отличным кормом для скота, но этому препятствует его сильная горечь. Белковый отстой можно реализовать на корм животным в смеси с солодовой дробиной. Для этого его из сборника для отстоя перекачивают в фильтрационный аппарат на дробину после сбора первого сусла. При этом ускоряется процесс фильтрования, так как слой дробины за счет крупных частиц отстоя становится более проходимым, и снижаются потери сусла.
Сусло из белкового отстоя отделяется также путем сепарирования или на фильтр-прессах. Полученное сусло собирают в специальных сборниках-мерни-ках, где его стерилизуют, охлаждают и перекачивают на брожение.
Белковый отстой может реализоваться на корм рыбам в прудовое хозяйство. Из белкового отстоя можно готовить гидролизаты, богатые аминным азотом, и добавлять их в сусло для интенсификации его сбраживания.
Контрольные вопросы и задания
До какой температуры охлаждают сусло и чем обусловлена ее величина?
Почему участок осветления и охлаждения сусла является наиболее опасным с точки зрения инфицирования продукта?
Чем обусловлена необходимость насыщения сусла кислородом?
Как осуществляется поглощение суслом кислорода?
Охарактеризуйте взвеси сусла и приведите их химический состав.
Как влияет степень осветления сусла на процесс его сбраживания и качество готового пива?
Приведите устройства и режим работы отстойного аппарата.
Опишите работу гидроциклонного аппарата.
Как устроен и работает сусловой сепаратор?
Охарактеризуйте способы осветления холодного сусла.
Дайте сравнительную характеристику теплообменникам для охлаждения сусла.
Охарактеризуйте белковый отстой и приведите пути его утилизации.
Тема 6. Главное брожение
6.1. Пивные дрожжи
6.2. Процессы, происходящие при главном брожении пивного сусла
6.3. Практика главного брожения
6.1. Пивные дрожжи
6.1.1. Общая характеристика пивных дрожжей
Пиво является продуктом биохимической деятельности дрожжей. Дрожжи - одноклеточные микроорганизмы класса Ascomycetes, порядка Endomycetales, семейства Saccharomycetaceae и рода Saccharomyces, объединяющего 41 вид. В пивоварении используют дрожжи двух видов: Saccharomyces cerevisiae (дрожжи верхового брожения) и Sacchаromyces carlsbergensis (дрожжи низового брожения).
Строение и химический состав дрожжевой клетки
Дрожжевые клетки (рис. 16) имеют овальную, круглую, эллиптическую форму. Снаружи клетка покрыта оболочкой 1, под которой находится цитоплазматическая мембрана 2. Оболочка состоит из глюкана, азотосодержащих веществ и липидов. Она придает форму клетке, здесь осуществляется почкование. Оболочка функционирует как фильтр, пропускающий питательные вещества внутрь клетки и выводящий из клетки продукты обмена. Цитоплазматическая мембрана имеет белково-липидную природу. Она регулирует обмен питательных веществ и метаболитов, благодаря избирательной проницаемости. Проницаемость цитоплазматической мембраны активная: в первую очередь в клетку проходят легкоусвояемые вещества, даже если размер их молекул превышает размер молекул менее усвояемых веществ. Внутри клетки находится ядро 3, окруженное двойной пористой мембраной. Ядро регулирует и направляет процессы, обеспечивающие рост и размножение дрожжей. Ядро - хранилище генетической информации. Содержит ДНК, белки и ферменты, связанные с образованием ДНК и РНК. Основой клетки является цитоплазма 9, в которой находятся структурные элементы клетки: рибосомы 6, митохондрии 7, вакуоли 5. Рибосомы - мельчайшие частицы клетки, в них происходит синтез белка. Митохондрии - энергетические центры клетки, в которых осуществляется образование АТФ. Вакуоли 5 - полости, заполненные клеточным соком. Клеточный сок - водный раствор солей, углеводов, белков, жиров и ферментов. Чем старше клетка, тем больше в ней вакуолей. В дрожжевой клетке имеются также включения гликогена - резервного питательного вещества. На поверхности клетки в результате отпочкования дочерних клеток от материнской образуются рубцы 8.
Рис. 16. Строение дрожжевой клетки:
1 - оболочка; 2 - цитоплазматическая мембрана; 3 - ядро; 4 - включения гликогена; 5 - вакуоли;
6 - рибосомы; 7 - митохондрии; 8 - рубец; 9 - цитоплазма
Величина клеток зависит от возраста и физиологического состояния дрожжей. Чаще всего клетки имеют длину 9-11 мкм и ширину 5-7 мкм.
Химический состав дрожжей зависит от расы, состава питательной среды и физиологического состояния дрожжей. Отпрессованные дрожжи содержат 24-30 % сухих веществ и 76-70 % воды. Сухие вещества дрожжей на 90-95 % состоят из органических веществ, в состав которых входят азотистые вещества (35-65 %), безазотистые экстрактивные вещества (20-63 %), жир (2-5 %), минеральные вещества (5-11 %).
Азотистые вещества дрожжей представлены главным образом дрожжевыми белками, важнейшими из которых являются зимоказеин и церевизин. Основной представитель углеводов дрожжей - гликоген. Гликоген по химическому строению сходен с амилопектином крахмала, но имеет большую молекулярную массу и более компактную молекулу. Его содержание колеблется от 0 до 40 % массы сухих веществ и зависит от состава питательной среды. Запасным веществом дрожжей является жир, которого больше в старых клетках. Главные элементы минеральных веществ дрожжей - фосфор и калий. Фосфор входит в состав промежуточных продуктов спиртового брожения, а калий активизирует деятельность некоторых дрожжевых ферментов, а также оказывает решающее влияние на биосинтез белков и углеводов.
Дрожжевая клетка содержит большое количество ферментов, которые обеспечивают ее жизненные функции, участвуя в процессах дыхания, брожения, гидролиза и синтеза. Ферменты клетки подразделяются на эндо- и экзоферменты. Эндоферменты проявляют свое действие только внутри клетки. К ним относится, например, мальтаза, ферменты брожения и дыхания. Экзоферменты выделяются из клетки и действуют вне ее. Они предназначены для начальных этапов использования дрожжами питательных веществ. К ним относятся некоторые дрожжевые пептидазы и β-фруктофуранозидаза.
Дрожжи богаты витаминами группы В, содержат никотиновую кислоту, эргостерин, биотин и др.
Метаболизм дрожжевой клетки
Метаболизм - это обмен веществ дрожжевой клетки. Для роста и размножения клетка нуждается в питательных веществах, растворимых в воде. Эти вещества клетка потребляет и преобразует в необходимые для построения дрожжевых белков, углеводов, жиров, резервных веществ. Потребление и преобразование питательных веществ - ассимиляция сопровождается затратой энергии. Необходимая энергия образуется в клетке в результате диссимиляции - процессов преобразования и распада веществ, которые сопровождаются выделением энергии. Энергия накапливается в клетке в виде АТФ. Основными процессами образования в клетке АТФ являются дыхание и брожение. В анаэробных условиях пивоварения энергия в клетке образуется в результате спиртового брожения.
Для жизнедеятельности дрожжам необходимы углеводы, азотосодержащие и минеральные вещества, витамины, жирные кислоты.
Углеводы используются дрожжами как источник питания и источник энергии. Питание заключается в усвоении углеводов, их расщеплении и последующем синтезе в структурные элементы клетки (глюкан) и резервные вещества (гликоген). На эти цели расходуется примерно 2 % сахаров сусла. Основная доля сахаров подвергается спиртовому брожению, в результате которого в клетке накапливается энергия. При сбраживании сахаров образуется этиловый спирт и углекислый газ, которые, как продукты метаболизма, угнетающе действуют на дрожжи, но являются основными технологически важными веществами, превращающими сусло в пиво. Углеводы сбраживаются в определенной последовательности, обусловленной скоростью проникновения их в дрожжевую клетку. В первую очередь сбраживается глюкоза и фруктоза. Сахароза предварительно гидролизуется β-фруктофуранозидазой до глюкозы и фруктозы, которые быстро потребляются дрожжами в начале брожения. После усвоения глюкозы и фруктозы дрожжи начинают потреблять мальтозу, а затем - мальтотриозу. Для нормального протекания брожения в сусле должно содержаться достаточное количество легкосбраживаемых углеводов.
Для синтеза компонентов, обеспечивающих рост и размножение, дрожжам необходимы источники ассимилируемого азота. Дрожжи могут усваивать как органический, так и неорганический азот. Дрожжи потребляют аммиачный азот в виде фосфатов и сульфатов аммония, аминокислоты, пептиды, пуриновые и пиримидиновые основания. Главную роль в азотистом обмене дрожжевой клетки играет прямая ассимиляция аминокислот сусла, обеспечивающая 70 % ассимилируемого азота. При достаточном содержании в сусле аминного азота наблюдаются быстрый рост дрожжей, высокая скорость сбраживания и низкое содержание в пиве высших спиртов. Аминокислоты потребляются дрожжами в определенной последовательности. В первую очередь ассимилируются такие кислоты, как аспарагин, серин, треонин и лизин, а последними потребляются аланин и пролин.
Размножение дрожжей
Размножение - увеличение в среде числа дрожжевых клеток.
Дрожжи размножаются почкованием. При этом на материнской клетке образуется почка, которая вырастает в дочернюю клетку. При неблагоприятных условиях дрожжи могут образовывать споры, которые впоследствии прорастают, образуя новые дрожжевые клетки. Пивное сусло содержит все необходимые вещества для размножения дрожжей, поэтому они размножаются только почкованием.
Размножение дрожжей при сбраживании сусла проходит в несколько этапов. Кривая роста имеет обычную для развития микроорганизмов S-образную форму, на которой можно выделить 4 фазы: латентную, логарифмическую, стационарную и фазу затухания. На латентной фазе дрожжи приспосабливаются к питательной среде и подготавливаются к размножению. Логарифмическая фаза характеризуется максимальной скоростью размножения дрожжей. На стационарной фазе скорость размножения и скорость отмирания дрожжей уравновешиваются, и число клеток остается без изменения. При снижении количества питательных веществ и увеличении в среде концентрации продуктов обмена размножение дрожжей прекращается, наступает фаза затухания.
Количество дрожжей в конце главного брожения увеличивается в 3-4 раза.
На размножение дрожжей влияет состав питательной среды. Способствуют размножению сахара, аминный азот, кислород сусла и замедляют размножение продукты метаболизма, такие как этиловый спирт и диоксид углерода. Процесс размножения существенно интенсифицируется при увеличении температуры брожения и при перемешивании бродящей среды. На размножение влияет рН сусла. Максимальное размножение низовых дрожжей наблюдается при рН 4,8-5,3. Замедляют размножение высокие концентрации сбраживаемых сахаров.
Флокуляция дрожжевых клеток
Флокуляция (агглютинация) - способность дрожжевых клеток собираться в хлопья. От флокуляционной способности дрожжей зависит степень сбраживания и скорость осветления пива. По способности флокулировать пивные дрожжи сгруппированы в 4 класса: пылевидные дрожжи, флокулирующие дрожжи первого класса, флокулирующие дрожжи второго класса, флокулирующие дрожжи третьего класса. Пылевидные дрожжи медленно образуют хлопья, состоящие из 10 и менее клеток. Флокулирующие дрожжи первого класса образуют хлопья, состоящие примерно из 1000 клеток, после сбраживания 2/3 экстракта. Флокулирующие дрожжи второго класса после сбраживания 2/3 экстракта образуют хлопья, содержащие несколько тысяч клеток. У флокулирующих дрожжей третьего класса процесс флокуляции начинается на ранних стадиях брожения. При производстве пива низового брожения используют флокулирующие дрожжи первого и второго класса.
В настоящее время существуют три гипотезы, объясняющие флокуляцию дрожжевых клеток.
Первая гипотеза предполагает, что флокуляция дрожжей связана с образованием ионных связей между ионами Са+2 сусла и ионами СОО– белков двух соседних клеток. Эта структура дополнительно стабилизируется образованием водородных связей.
Вторая гипотеза объясняет флокуляцию образованием перекрестных соединений ионов Са+2 сусла с двумя фосфоманнановыми единицами соседних клеток. Водородные связи усиливают этот процесс. Маннано-белковый комплекс образует поверхностный слой дрожжевой клетки. Обнаружено, что у флокулирующих дрожжей комплекс более фосфорилирован, чем у нефлокулирующих.
Третья гипотеза (гипотеза Калюжного) предполагает, что клетки дрожжей окружены водной оболочкой и ионной сферой. При брожении под воздействием дегидратирующих веществ, таких как спирт, клетки теряют водную оболочку, в результате чего уменьшается их ионная сфера и электрический заряд. При этом уменьшается сила отталкивания клеток и создаются условия для объединения их в агломераты.
На способность дрожжей к флокуляции влияют внутренние и внешние факторы. Внутренние - это генетическая природа дрожжей. Каждый штамм дрожжей характеризуется индивидуальной способностью к флокуляции. К внешним факторам относятся: состав сусла, температура брожения и рН среды, количество и качество семенных дрожжей. Преждевременной флокуляции способствует несбалансированный состав сусла: недостаток в нем аминного азота, сбраживаемых сахаров, ростовых веществ. Флокуляции способствуют низкая температура и увеличение нормы засева дрожжей, снижение рН до 4,3-4,0. На начальных этапах брожения следует избегать флокуляции, а в конце - способствовать этому процессу. Действенным технологическим фактором, управляющим флокуляцией, является температура.
Автолиз дрожжей
Автолиз - процесс саморастворения дрожжей под действием собственных ферментов. Начинается при отмирании клетки, когда прекращают действовать ферменты дыхания и брожения, но активизируются гидролитические ферменты. Происходит распад белковых веществ, углеводов, жиров, фосфорных соединений. Продукты распада выделяются в среду, изменяя вкус и свойства пива. При незначительном автолизе появляется дрожжевой привкус, при сильном - горький, мясной. Продукты автолиза снижают коллоидную стойкость пива и его пенистые свойства. Дрожжи могут отмирать и при вполне благоприятных условиях, но автолитические процессы усиливаются при недостатке в среде питательных веществ и повышенной температуре. Легко подвергаются автолизу осадочные дрожжи при несоблюдении условий их хранения. Стойкость к автолизу индивидуальна у отдельных штаммов дрожжей.
Штаммы (расы) дрожжей
В пивоварении применяют дрожжи верхового и низового брожения. Дрожжи верхового брожения отличаются мелкими размерами клеток и относятся к пылевидным дрожжам. На стадии интенсивного брожения выделяются на поверхности бродящей среды в виде пены и остаются в таком виде до конца брожения. Далее они медленно оседают, образуя на дне бродильного аппарата рыхлый слой. Дрожжи низового брожения относятся к хлопьевидным дрожжам. Во время главного брожения находятся в слое сусла, а в конце процесса быстро оседают на дно бродильного аппарата, образуя плотный осадок. Дрожжи низового брожения, по сравнению с дрожжами верхового брожения, более устойчивы к автолизу, дают хороший прирост биомассы, обладают более низкой бродильной активностью, образуют в пиве меньше диацетила и высших спиртов, что положительно сказывается на его качестве. Низовые дрожжи полностью сбраживают раффинозу, так как содержат необходимые ферменты для расщепления раффинозы сначала под действием β-фруктофуранозидазы на фруктозу и мелибиозу, а затем под действием мелибиазы на глюкозу и галактозу. Дрожжи верхового брожения сбраживают рафинозу лишь на 1/3, так как не имеют мелибиазы. В отечественном пивоварении применяют в основном дрожжи низового брожения.
Пивные дрожжи подразделяются на расы, отличающиеся друг от друга по размеру и форме клеток, скорости и степени сбраживания сусла, по способности к флокуляции и интенсивности редукции диацетила.
Бродильную активность дрожжей (V) определяют по степени сбраживания (в %) следующим образом:
V = [(E – e) · 100] / E, (6)
где Е - масса сухих веществ в начальном сусле, %;
е - экстракт пива, %.
По степени сбраживания дрожжи делятся на высокосбраживающие (степень сбраживания 90-100 %), среднесбраживающие (80-90 %), низкосбраживающие (менее 80 %).
В России используются следующие штаммы дрожжей: отечественные (776, 11, 44, 41, S-Львовская, 8а (М), Ф-2, 70, 129, 140, 145, 146, 148, Н, 919, М-И-Х1, М-И-ХП) и зарубежные (Р, F - чешские; 34, 308, 69, Rh - немецкие). Некоторые заводы применяют датские и финские штаммы дрожжей. Штаммы хранятся в коллекциях Всесоюзного научно-исследовательского института пивобезалкогольной и винодельческой промышленности (ВНИИПБ и ВП), МГУПП (Москва), в Санкт-Петербургской лаборатории микробиологии и технологии дрожжей, в Воронежской государственной технологической академии.
К сильносбраживающим относятся штаммы дрожжей 11, 8а (М), 129, 70, 145, Н, 148, F-чешская, 34, 308, Rh. Штаммы 776, 41, 44, S-Львовская, Р-чешская относятся к среднесбраживающим.
К наиболее востребованным отечественным расам относится раса 11. Это быстро- и глубокосбраживающая раса, не требовательна к качеству сырья, с хорошей способностью к флокуляции и редукции диацетила. При использовании данной расы получается пиво с полным чистым вкусом.
Дрожжи расы 776 относятся к среднесбраживающим и хорошо зарекомендовали себя при переработке несоложеного сырья. Обладают средней флокуляционной способностью. Данный штамм отличается высоким приростом биомассы дрожжей. Пиво имеет удовлетворительный вкус, резкую хмелевую горечь.
Дрожжи F-чешской расы быстро и глубоко сбраживают сусло, хорошо флокулируют и осветляют пиво, придают ему специфический приятный аромат, устойчивы к инфекции и автолизу.
Штаммы 8а (М) и Ф-2 позволяют значительно (на 2 суток) сократить продолжительность главного брожения. Могут применяться на тех заводах, где бродильное отделение является «узким» местом. Позволяют получать хорошо осветленное пиво с чистым вкусом. Дрожжи штамма Ф-2 способны сбраживать мальтотетраозу и низкомолекулярные декстрины.
Немецкие штаммы 34 и 308 быстро и глубоко сбраживают сусло, устойчивы к инфекции и высоким концентрациям спирта. Обеспечивают хорошее осветление пива после дображивания и придают ему чистый, мягкий вкус. Пиво характеризуется высокой, компактной, долго удерживающейся пеной. Однако данные расы прихотливы к качеству сырья. При использовании солода удовлетворительного качества могут наблюдаться остановка брожения или плохое оседание дрожжей.
Для сбраживания плотного сусла необходимы штаммы, устойчивые к осмотическому и этанольному стрессам. К таким дрожжам относятся штаммы 145 и Rh.
Расы дрожжей по отношению к количеству растворенного в сусле кислорода делятся на кислородозависимые и кислородонезависимые. Например, дрожжи расы 11 кислородонезависимые, а штамм 8а (М) требует дополнительной аэрации.