Микробиологические и биохимические процессы, протекающие при брожении и дображивании пивного сусла, зависят от многих факторов и прежде всего, от состава пивного сусла, поступающего на брожение. Содержание сбраживаемых сахаров, продуктов гидролиза белков, минеральных солей, а также веществ, влияющих на органолептические характеристики пива, связано со степенью перехода сухих веществ солода в сусло при затирании и промывании солодовой дробины [4]. Как ранее установлено авторами [4, 7], одним из факторов, влияющих на переход экстрактивных веществ солода в сусло, является состав воды, которая используется для приготовления пивного сусла и промывки солодовой дробины, а именно, содержание солей жесткости и соотношение катионов кальция и магния, которое в соответствии с СаНПиН 2.1.4.1074-01 вообще не регламентируется для питьевой воды. Известно, что активность ферментов солода и дрожжей определяется влиянием катионов кальция, которые увеличивают выход экстракта при затирании, считается оптимальным концентрация ионов кальция 2,25–2,75 мг-экв/дм3 сусла. Катионы магния необходимы для брожения и размножения дрожжей. Они поддерживают жизнеспособность и витальность (активность) клеток. В свою очередь, известно, что ионы минеральных веществ необходимы для поддержания внутриклеточного рН, осмотической стабильности, транспорта растворов и в качестве кофакторов при ферментативно катализируемых реакциях. Ионы кальция, кроме всего прочего, необходимы для флокуляции дрожжей. В известных литературных источниках [4, 5] рекомендована корректировка минерального состава воды (подработка), однако соотношение катионов кальция и магния в процессе брожения не было учтено. Наиболее высокий переход экстрактивных веществ наблюдался для сусла, приготовленного на воде с содержанием солей кальция 1,8–2,6 и магния 0,4–0,6 мг-экв/дм3, и составлял 8,9–9,1 % при использовании конгрессного метода затирания [7], одновременно экстрагировались соединения кальция и магния в зависимости от содержания этих катионов в исходной воде.
Цель исследования
Целью исследования данной работы являлось установление зависимости влияния катионного состава солей жесткости и их соотношения в исходной воде на скорость генерации дрожжей, скорость брожения и степень сбраживания пивного сусла.
Материалы и методы исследования
Воду, используемую для затирания и промывания дробины, готовили искусственно, добавляя к дистиллированной воде соли кальция и магния. Приготовленная заторная вода содержала хлориды и сульфаты кальция и магния в оптимальном соотношении, обеспечивающем высокий переход сухих веществ солода. Также применяли воду из системы городского питьевого водоснабжения без подготовки и дистиллированную воду. Содержание экстрактивных веществ, ионов кальция и магния в сусле и исходной воде оценивали в соответствии с известными методиками [2]. Охмеленное сусло для брожения готовили настойным способом, затирая светлый ячменный солод на воде известного состава и выдерживая паузы при температурах 60, 64 и 72 °С. Воду после промывания дробины добавляли к суслу, варили сусло с хмелем и после проверки содержания экстрактивных веществ, ионов кальция и магния переносили его в снабженные гидрозатвором бутылки. После добавления дрожжей низового брожения первой генерации сбраживали сусло при температуре 9–12 °С в течение 4–5 суток. В ходе брожения фиксировали выделение диоксида углерода по убыли массы сусла и проводили прямой подсчет количества дрожжевых клеток с помощью камеры Горяева и микроскопа МИКМЕД-5 [1]. По окончании опыта рассчитывали скорость брожения как отношение убыли массы сусла к соответствующему интервалу времени [3]. При этом скорость брожения для промышленных условий может быть рассчитана с учетом объема сусла в экспериментальном аппарате, то есть
где w – скорость брожения, г/час·м3; m – масса выделившегося СО2; τ – время, час; v – объем сосуда, 0,1 л.
Степень сбраживания как отношение массы сброженной глюкозы, определенной по массе выделяющегося диоксида углерода в соответствии со стехиометрическим уравнением, к массе экстрактивных веществ в сусле [6]:
С6Н12О6 > 2С2Н5ОН + 2СО2.
Результаты исследования и их обсуждение
Данные, полученные при сбраживании сусла, приготовленного на воде разного солевого состава (водопроводной, дистиллированной, искусственно приготовленной) при норме дрожжей 0,5 и 1 г/100 см3 сусла представлены в таблице.
Экспериментальные данные по брожению сусла
|
Виды сусла |
Содержание в сусле |
Продолжи-тельность главного брожения, ч |
Масса СО2, выделившегося к окончанию главного брожения, г |
Степень сбраживания сусла, % |
Число клеток при мак-симальной скорости брожения, млн/см3 |
||
|
экстрактивных веществ, % |
Са2+, мг-экв/дм3 |
Mg2+, мг-экв/дм3 |
|||||
|
Сусло, приготовленное на дистиллированной воде |
9,92 |
7,4 |
1,2 |
115 |
0,9–2,3 |
17–40 |
35–50 |
|
Сусло,приготов-ленное на водопроводной воде |
9,92 |
8,2 |
2,3 |
90 |
1,6–2,1 |
30–40 |
25–38 |
|
Сусло, приготовленное на воде, содержащей Са2+ и Mg2+ 1,25 и 0,2 мг-экв/дм3 |
11,38 |
9,2 |
2,2 |
90 |
0,07–0,1 |
1,5–1,9 |
14–23 |
|
Сусло, приготовленное на воде, содержащей Са2+ и Mg2+ 3,0 и 0,2 мг-экв/дм3 |
12,29 |
10 |
3 |
70 |
0,13–0,08 |
1,5–2,1 |
13–21 |
|
Сусло, приготовленное на воде, содержащей Са2+ и Mg2+ 2,5 и 0,4 мг-экв/дм3 |
14,27 |
8,0 |
2,3 |
70 |
3,5–4,0 |
50–55 |
100–175 |
|
Сусло, приготовленное на воде, содержащей Са2+ и Mg2+ 2,5 и 0,6 мг-экв/дм3 |
13,43 |
8,8 |
3,6 |
70 |
1,7–2,5 |
25–40 |
35–45 |
|
Сусло с ООО «ДПЗ» |
14,12 |
6,6 |
2,95 |
70 |
2,5–3 |
30–35 |
20–30 |
Следует отметить, что наибольшее содержание экстрактивных веществ в охмеленном сусле получено при использовании воды с оптимальным количеством и соотношением солей жесткости и равно 13,4–14,3 %. Суммарное содержание солей жесткости в сусле, подготовленном к брожению, находится в пределах 10,3–12,4 мг-экв/дм3, из них ионов кальция 8–8,8 мг-экв/дм3. Отношение ионов кальция к ионом магния в исходной воде и в сусле изменяется в процессе затирания: так для оптимального состава, содержащего Са2+ и Mg2+ 2,5 и 0,4 мг-экв/дм3, с 6,25 до 3,48 раз. В эти пределы входит вода, подготовленная нанофильтрацией и содержащая 2,2 и 0,45 мг-экв/дм3 Са2+ и Mg2+ соответственно.
Зависимости массы выделяющегося СО2, скорости брожения и количества дрожжевых клеток от продолжительности брожения сусла, приготовленного на корректированной по составу воде, содержащей 2,5 мг-экв/дм3 Са2+ и 0,4 мг-экв/дм3 Mg2+ (кривые 1, 2), 2,5 мг-экв/дм3 Са2+ и 0,6 мг-экв/дм3 Mg2+ (кривые 3, 4) представлены на рис. 1–3. Результаты получены в нескольких параллельных опытах и усреднены.
Рис. 1. Зависимость массы СО2, выделившегося при брожении, от продолжительности брожения сусла, приготовленного на воде, содержащей: 1, 2 – 2,5 мг-экв/дм3 Са2+ и 0,4 мг-экв/дм3 Mg2+; 3, 4 – 2,5 мг-экв/дм3 Са2+ и 0,6 мг-экв/дм3 Mg2+; при внесении дрожжей, г: 1, 3 – 1,0; 2, 4 – 0,5
Рис. 2. Изменение скорости брожения сусла во времени приготовления на воде, содержащей: 1, 2 – 2,5 мг-экв/дм3 Са2+ и 0,4 мг-экв/дм3 Mg2+; 3, 4 – 2,5 мг-экв/дм3 Са2+ и 0,6 мг-экв/дм3 Mg2+; при внесении дрожжей, г: 1, 3 – 1,0; 2, 4 – 0,5
Рис. 3. Изменение количества дрожжевых клеток при брожении сусла, приготовленного на воде, содержащей: 1, 2 – 2,5 мг-экв/дм3 Са2+ и 0,4 мг-экв/дм3 Mg2+; 3, 4 – 2,5 мг-экв/дм3 Са2+ и 0,6 мг-экв/дм3 Mg2+; при внесении дрожжей, г: 1, 3 – 1,0; 2, 4 – 0,5
В первые 40 часов брожения сусла выделяется небольшое количество СО2, затем количество выделяющегося СО2 резко возрастает и продолжает увеличиваться до 70 часов. Далее скорость выделения диоксида углерода снижается, что косвенно указывает на окончание главного брожения сусла. Большее количество СО2, выделившегося при брожении сусла, отмечено при норме внесения дрожжей 1 г/100 см3 сусла и составляет приблизительно 4 г за 120 ч брожения.
Скорость брожения сусла в первые 50 ч опыта увеличивается незначительно, затем в следующие 20 ч наблюдается резкое возрастание скорости с 0,01 до 0,1 г СО2/ч. В этот промежуток времени заметно увеличение числа дрожжевых клеток при норме внесения 0,5 и 1 г/100 см3 сусла в 2,3 и 1,7 раза соответственно по сравнению с начальным количеством в сусле.
Уменьшение соотношения ионов кальция к магнию в сусле, приготовленном на воде, содержащей Са2+ и Mg2+ 1,25 и 0,2 мг-экв/дм3, с 6,25 до 4,18 раз приводит к снижению экстрагируемости, но в первую очередь к уменьшению степени сбраживания вследствие замедленной генерации дрожжевых клеток. Скорость брожения для промежутка времени соответствующего максимальному образованию новых клеток, рассчитанная на метр кубический бродящего сусла, составляет 0,9 кг СО2/час·м3, что соответствует накоплению спирта порядка 0,94 кг/час·м3.
Увеличение ионного отношения кальция к магнию в исходной воде с 3,5 до 15,0 раз снижает степень сбраживания в 20–25 раз, не смотря на незначительно отличающуюся экстрактивность (14,27–12,29 %).
Сусло, приготовленное на воде с пониженным содержанием кальция (1,25 мг-экв/дм3), также не пригодно для эффективного сбраживания, так как степень сбраживания к моменту окончания главного брожения (90 часов) не превышает 2,0 %. Сравнение результатов брожения производственного сусла, полученного на воде при подготовке по схеме с катионным обменом и ультрафиолетовым обеззараживанием, свидетельствует о том, что контролируемые и автоматически поддерживаемые концентрации и отношения ионов кальция и магния в подготовленной воде могут улучшить технологические показатели процесса на стадии затирания и главного брожения.
Брожение сусла, приготовленного на водопроводной воде, протекает медленнее, продолжительность главного брожения составляет 90 ч, число дрожжевых клеток при максимальной скорости брожения находилось в пределах 25–40 млн/см3.
Сусло, приготовленное на дистиллированной воде, содержит 9,92 % растворенных веществ и 8,8 мг-экв/дм3 солей жесткости. Брожение сусла, так же как и сусла, приготовленного на водопроводной воде, протекало с меньшей скоростью, продолжительность главного брожения составляла 115 ч, а число дрожжевых клеток при наибольшей скорости брожения находилось в пределах 35–50 млн/см3.
Сравнение всех трех рисунков, отличающих результаты выделенной массы диоксида углерода, скорости брожения и числа клеток дрожжей приводит к заключению, что оптимальная масса загружаемых дрожжей находится в выбранном интервале 0,5–1,0 г.
Выводы
1. Состав исходной воды, а именно содержание и соотношение солей кальция и магния, влияют на содержание экстрактивных веществ в сусле, и в итоге – на скорость брожения и степень сбраживания сусла.
2. Сусло, сваренное на воде оптимального состава (1,8–2,6 мг-экв/дм3 Са2+ и 0,4–0,6 мг-экв/дм3 Mg2+), обеспечивает высокую скорость генерации дрожжей и впоследствии – достаточное количество генерированных дрожжевых клеток для проведения дображивания пива.
Библиографическая ссылка
Пастухова Г.В., Перетрутов А.А., Просвирин С.В., Чубенко М.Н., Авдонина А.В., Ануфриева А.И., Иванов А.И. ВЛИЯНИЕ СОЛЕЙ ЖЕСТКОСТИ ВОДЫ НА БРОЖЕНИЕ ПИВНОГО СУСЛА // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2017. – № 7-1. – С. 32-36;URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=11686 (дата обращения: 19.04.2024).