автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.07, диссертация на тему:Ускорение процесса дображивания с помощью методов иммобилизации пивных дрожжей и температурной конверсии вицинальных дикетонов

На правах рукописи

ФАЙЗУЛЛАЕВ Тимур Хайруллаевич

УСКОРЕНИЕ ПРОЦЕССА ДОБРАЖИВАНИЯ С ПОМОЩЬЮ МЕТОДОВ ИММОБИЛИЗАЦИИ ПИВНЫХ ДРОЖЖЕЙ И ТЕМПЕРАТУРНОЙ КОНВЕРСИИ ВИЦИНАЛЬНЫХ ДИКЕТОНОВ

Специальность 05 18 07 - Биотехнология пищевых продуктов (растительного и животного происхождения)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата наук

Санкт-Петербург - 2007

003062400

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий»

Научный руководитель Официальные оппоненты

Ведущее предприятие

доктор технических наук, профессор Тишин В Б

доктор технических наук

Красильников В Н кандидат технических наук

Сандаков О А Санкт-Петербургский институт

управления и пищевых технологий

Защита диссертации состоится «¿У» .¿^/р 2007г в часов на заседании диссертационного совета Д 212 234 02 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий» по адресу. 191002, Санкт- Петербург, ул Ломоносова, 9, тел/факс 315-30-15

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета Автореферат разослан «¿0> ^^„^р 2007г

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Колодязная В С

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Российское пивоварение входит в число немногих отраслей пищевой промышленности, которой за относительно короткое время удалось совершить стремительный рывок от одной из самых отсталых советских отраслей до одного из наиболее динамичных и современных рынков отечественной экономики

На фоне роста объемов продаж, анализа ситуации на рынке и результатов маркетинговых исследований от промышленности требуется увеличение объемов производства В соответствие с этим необходимы новые технологии интенсификации процесса приготовления пива

В пивоваренной промышленности это может быть осуществлено следующими путями

- строительство нового производственного комплекса или модернизация старого

— переход на технологию, так называемого, высокоплотного пивоварения, связанную с получением пива с массовой долей сухих веществ большей, чем в товарном пиве и последующем разведением плотного пива специально подготовленной водой до необходимой концентрации

Эти направления тесно связаны между собой, их осуществление невозможно без значительных капиталовложений

Последний вариант не требует коренной перестройки завода и выглядит весьма привлекательным, правда возможности его использования не безграничны, и вскоре могут быть исчерпаны Судя по динамике модернизации пивоваренной промышленности в целом, через некоторое время в России, большинство крупных заводов, будут использовать данную технологию

Альтернативой является введение новых технологий, а именно ускорение процесса дображивания, как наиболее длительного при приготовлении пива

Таким образом, одной из актуальных задач пивоваренной промышленности, решение которой обеспечит повышение эффективности пивоваренного производства, является сокращение продолжительности технологических стадий производства Особенно это относится к процессу сбраживания пивного сусла, так как данный процесс является самым длительным в пивоваренном производстве

Использование иммобилизованных клегок дрожжей позволяет легко управлять биокатализом Особенность иммобилизованных клеток дрожжей интенсифицировать процесс брожения, обусловлена разными факторами Иммобилизация позволяет накапливать большую биомассу, с единицы объема реактора, чем при периодическом и непрерывном процессе с использованием свободных клеток В результате значительно повышается выход продукта

Цель и задачи исследования Целью данной работы является ускорение процесса дображивания с помощью иммобилизованных дрожжей Басскаготусез сегечтае и температурной конверсии вицинальных дикетонов

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи.

— подбор, на основе литературных и экспериментальных данных носителей для иммобилизации пивоваренных дрожжей,

— проведение экспериментов по кинетике намывания дрожжей на носитель,

— исследование способности пивоваренных дрожжей к иммобилизации,

- проведение экспериментов по сбраживанию пивного сусла на иммобилизованных дрожжах и определение его качественных показателей,

— проведение исследования и разработка технологии конверсии вицинальных дикетонов с помощью повышенных температур с целью ускорения дображивания,

— оценка экономической эффективности применения технологий иммобилизованных дрожжей и температурной конверсии вицинальных дикетонов в промышленных масштабах

Научная новизна заключается.

- в подборе носителей, наиболее способных адсорбировать на своей поверхности определенные штаммы дрожжей,

- в установлении влияния внешних факторов на способность пивоваренных дрожжей к адсорбции на поверхности носителя, оптимальных пределов рН и температуры способствующих иммобилизации,

в установлении целесообразности использования методов температурной конверсии вицинальных дикетонов для ускорения процесса дображивания

Практическая значимость На основании теоретических и экспериментальных изысканий исследованы носители и выбран наиболее подходящий для иммобилизации пивоваренных дрожжей с целью ускорения дображивания "зеленого" пива

Определена экономическая эффективность технологии ускорения дображивания с помощью температурной конверсии вицинальных дикетонов

Технология по ускорению процессов дображивания с помощью иммобилизованных дрожжей использовалась на пивоваренном заводе "Вена", Санкт-Петербург

Положения, выносимые на защиту

Математическая модель, описывающая кинетику адсорбции пивоваренных дрожжей на носителях

- Технология ускорения дображивания с помощью иммобилизованных дрожжей, пригодная для производства высококачественного пива класса премиум

- Технология температурной конверсии вицинальных дикетонов и альфа-ацетолактата, пригодная для производства пива, среднего и низового ценовых сегментов пива

Апробация работы Основные положения доложены и обсуждены на научно-технических конференциях СПбГУНиПТ (Санкт-Петербург, 20032005г ), на международной научно-технической конференции молодежи, посвященной 300-летию Санкт-Петербурга (Санкт-Петербург, апрель 2003г )

Публикации По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе 1 статья в издании, рекомендованном ВАК РФ

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, 4 глав, списка литературы и приложений Диссертация изложена на 115 страницах машинописного текста, включает 31 рисунок Список литературы состоит из 65 наименований, 41 из которых - зарубежных авторов

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение Обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований

Экспериментальные исследования проводились в лаборатории Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий, на пивоваренном завод «Вена» и исследовательской лаборатории "Кроненбург" (Страсбург, Франция)

Материалы и методы исследования Объектами исследования являлись четыре штамма дрожжей Saccharomyces cerevisiae рас 129, 145,96W, 76пт

Для культивирования использовали солодовое сусло с массовой долей сухих веществ 15%, приготовленное с использованием солода высокого качества (80%) и мальтозного сиропа фирмы «Cargill» (20%),в котором состав сбраживаемых углеводов и соотношение между moho-, ди, и трисахаридами близок к составу солодового сусла

Для исследования способности к иммобилизации были выбраны штаммы пивоваренных дрожжей рас 129, 145, 96W, 76пт В данной работе в качестве носителей были использованы ДЕАЕ-целлюлоза, силикагель, кизельгур крупной фракции, керамзит, керамика, пенопласт, пластмасса, активированный уголь и смесь ДЕАЕ -целлюлозы и кизельгура

Для выполнения работы использовали стандартные физико-химические и микробиологические методы исследования (ГОСТ 29294-92) и методы исследования, приведенные в аналитике ЕВС (Европейская конвенция пивоваров)

Определение показателей пива осуществлялось с помощью прибора Anton Paar

Статистическая обработка результатов исследования проводилась с использованием программы Microsoft Excel 2000, Cureve Expert

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Подбор носителей для иммобилизации дрожжей применительно к производству пива При иммобилизации используется способность всех микроорганизмов осаждаться на поверхности тел Решающим фактором здесь является шероховатость поверхности, а также наличие трещин, пор и углублений

Независимо от метода технологии иммобилизации не обойтись без начальной фазы Во время этой фазы происходит закрепление дрожжей по всему объему носителя

В конце этой фазы устанавливается равновесное состояние между уносимыми средой и нарастающими клетками После этого может начаться собственно процесс производства

Поскольку для беспрепятственного роста клеток следует избегать ограничений на течение субстрата, рассмотрим перенос вещества в пористых материалах носителей (рис 1)

Биочлсса Ашкроорглншмов

(3) Диффл шоннос сопротивление

Рис 1 Схематичное представление процесса переноса вещества в пористых носителях, заселенных микроорганизмами

Перенос вещества в носителе, заселенном микроорганизмами, осуществляется за счет конвекции или диффузии Если под конвекцией понимается течение, созданное внешним движением продукта, то в случае диффузии речь идет о переносе вещества за счет градиентов его концентрации

Перенос вещества на внешней поверхности пористого носителя происходит за счет конвекции Если, исходить из того, что на наружную поверхность не действует никакая механическая нагрузка, так что на ней может сформироваться слой биомассы, тогда этот слой, по сути, является единственным сопротивлением переносу вещества Это сопротивление, естественно, затрагивает только те клетки, которые находятся вблизи поверхности носителя Это сопротивление определяет максимальную толщину слоя активной, т е омываемой достаточным количеством субстрата, пленки биомассы Клетки, слабо омываемые субстратом, лизируют Происходит отделение частей пленки, которые вытесняются нарастающими клетками Со временем, таким образом, устанавливается равновесие с результирующей пленкой биомассы постоянной толщины На рис 2 показан перенос вещества за счет диффузии в неподвижной жидкости внутри замкнутой поры Здесь нет никакой конвекции Процесс диффузии протекает в осевом и радиальном направлениях При этом толщина образующегося слоя зависит от длины диффузионного участка Она уменьшается по мере удаления от входа в пору

Рис 2 Схематичное изображение диффузии в неподвижной жидкости

внутри поры

Бномдсса микроорганшмов

Ферме1Гтат1гонля жидкость

{

Таким образом, в замкнутых порах при неподвижной жидкости имеет место сопротивление течению субстрата В результате поры не заселяются дрожжами Наряду с диффузионными процессами переноса внутри пор могут иметь место и конвективные процессы. Открытые поры могут промываться субстратом, тогда жидкость может проникать в поры за счет турбулентного потока Важным условием заселения и увеличения скорости заселения носителя является хороший проток субстрата через систему, а также большое количество открытых, связанных между собой пор

Тогда в случае полного заселения пор определяющими являются процессы диффузии Конвекция уже не имеет места Очень медленная форма переноса при диффузии компенсируется малым размером частиц носителя, т е короткими участками переноса вещества

Из каждого штамма были приготовлены водные суспензии с концентрацией дрожжевых клеток 35 млн/см3 Количество дрожжевых клеток подсчитывали в камере Горяева Опыты проводили в стеклянной колонке, заполненной носителем, который перед проведением опыта промывали раствором щелочи и, затем, водой Дрожжевую суспензию подавали в колонку сверху и через каждые 15 минут (отбор первой пробы через 5 минут) снизу снимали пробу, в которой определяли количество не закрепившихся клеток, на основе этих данных вычислялось количество клеток адсорбированных на поверхности носителя

Результаты исследований по применению в качестве носителя ДЕАЕ-целлюлозы приведены на рис 3

а 2

9 о

5 и

Скорость иммобилизации дрожжевых клеток на ДЕАЕ-целлюлозе

Время, мин

^ щ л штамм 145 XXX штамм^ □ □□ штамм 129 в-в © штамм "2

_ _ Средняя лится тренда

Рис 3 Кинетика адсорбции дрожжевых клеток на ДЕАЕ-целлюлозе

ДЕАЕ -целлюлоза показала себя, как очень хороший носитель На данном носителе иммобилизация происходит за счет химических и физических свойств целлюлозы Закрепление за счет химических свойств заключается в образовании ковалентных связей между носителем и клетками дрожжей Большое значение имеет также форма носителя Представляя собой опилки с шероховатой поверхностью и множеством трещин, впадин и углублений ДЕАЕ - целлюлоза адсорбирует на себе большое количество клеток

# в . штамм 145 ><><>< штамм 96 а □ о штамм ^ ^ ^ ® штамм "2

_ _ Средняя пиния тренда

Рис 4 Кинетика адсорбции дрожжевых клеток на керамике

X мин

ж ж „ штамм 14 ^ XXX штамм □□□ штамм 129

_ _ _ Средняя лиши тренда

Рис 5 Кинетика адсорбции дрожжевых клеток на керамзите

На основании проведенных исследований было получено уравнение описывающее изменение в безразмерном виде концентрацию клеток на носителе во времени

х/х„= к*(1 — е~а*т)

(1)

где X — количество иммобилизованных дрожжевых клегок в определенный момент времени,

Хн - количество дрожжевых клеток в суспензии в начальный момент времени,

к — коэффициент зависящий от свойств носителя,

Я - удельная скорость вымывания дрожжевых клеток с носителя, зависит от штаммовых особенностей дрожжей;

X - время иммобилизации

При Т стремящимся к нулю, то есть в начальный момент времени количество иммобилизованных дрожжевых клеток также будет стремиться к нулю

Тогда как при Т стремящимся к бесконечности (с а Т—0) количество иммобилизованных дрожжевых клеток (X) будет стремиться к начальной концентрации в суспензии (Хн) то есть к максимуму (X—►Хда), при этом

=к*х„

На практике примем завершение процесса адсорбции при к>0,9 , то есть

хр=0,9*хн

В практических целях необходимо знать время необходимое для адсорбции (тр)

Из уравнения (1)

-е аТ— 1-(Хр*0.9)/(хп*к), после логарифмирования

Тр=1/(а-хр*0,9/хнк), при Хр=0,9*Х„ имеем

Тр=1/(0,1*а)

(2)

При аппроксимации данных коэфицент ошибки расчетных данных колеблется в пределах 10% при средних значениях к=0,89 и а=0,08

Таблица 1

Показатели кий для различных носителей и штаммов

к

а

ДЕАЕ-целлюлоза

штамм 145 0,85 0,06

штамм 129 0,92 0,08

штамм 96 0,86 0,08

штамм 72 0,85 0,06

Керамзит

штамм 145 0,83 0,06

штамм 129 0,85 0,07

штамм 96 0,96 0,03

штамм 72 0,91 0,07

Керамика

штамм 145 0,96 0,14

штамм 129 0,96 0,12

штамм 96 0,86 0,08

штамм 72 0,85 0,06

Из уравнения (1) а - удельная скорость вымывания дрожжевых клеток с носителя зависит от штаммовых особенностей дрожжей и выражается следующим образом

х/(хн*к) = 1-1/е"ат , после некоторых преобразований и логарифмирования имеем

а=-1/т 1п ((хт-1)/хда) (3)

Влияние внешних факторов на способность дрожжей к иммобилизации

Температура окружающей среды является таким фактором, влияние которого на биомассу неизбежно, поскольку температура клетки должна стать такой же, как и температура культуральной среды В отличие от этого значение рН или активность воды в клетке не обязательно должны уравниваться со значениями их во внешней среде Температура влияет на скорость клеточных реакций, природу метаболизма, пищевые потребности и состав биомассы Увеличение температуры на 10°С приводит к увеличению скорости роста биомассы вдвое При температуре на 10-25°С ниже оптимальной скорость роста приближается к нулю

В ходе проведенных опытов было установлено, что оптимальным диапазоном температур являются значения от 32-36 °С, поскольку именно в этом интервале данный штамм пивоваренных дрожжей проявил наибольшую адсорбционную способность

Однако при повышенных температурах при дображивании возможно изменение вкусового профиля пива, высокое содержание эфиров, высших спиртов, риск присутствия автолизного привкуса

ю,

Л

О

п

о

о

□

5

ю

15

20

25

Температура, С

30

35

37

40

Рис 6 Зависимость адсорбционных свойств дрожжей штамма 129 на носителе ДЕАЕ-целлюлоза от температуры

Для исследования применялась суспензия дрожжей с концентрацией 30 млн/мл и следующие реактивы для регулирования рН 0 1 н НС1 и 1 н №011 рН начальной суспензии пивоваренных дрожжей составляла 6,7

Низкие значения рН наиболее интересны для схемы иммобилизованных дрожжей, так как при благоприятных условиях для дрожжевых клеток низкие значения рН подавляют жизнедеятельность посторонних микроорганизмов

Результаты проведенных опытов наглядно приведены на рис 7 исходя из которого, наиболее оптимальным для проведения иммобилизации пивоваренных дрожжей оказался диапазон рН 3,6—6,6

X 1

I5

^г о га ч р. о

Ё -

I £

1 га

2 1

20

15

10

13

—ПВПп— сппп □

360 420 480 540 6 00 6 60 7 20 7,80 8 40 9 00 960 10 20 10,80 1140

рН

Рис 7 Зависимость адсорбционных способностей дрожжей штамма 129 на носитетс ДЕАЕ-целлюлоза от величины рН

Технология ускоренного дображивания с помощью иммобилизации

дрожжей

Система состоит из следующих этапов

1) После главного брожения дрожжи собираются обычным способом для засева дальнейших циклов брожения

2) Пиво из танка брожения перекачивается при температуре брожения через сепаратор, который отделяет пиво от дрожжей Цель отделения дрожжей является избежание автолиза дрожжей во время последующей тепловой обработки пива

Стоит отметить, что при использовании подобной системы нет необходимости в использовании установок по регенерации пива из остаточных дрожжей Во время сепарирования поглощение кислорода должно быть минимизировано для избежания окисления пиво во время последующей тепловой обработки

Рис. 8. Схема ускоренного дображивания с помощью иммобилизованных

дрожжей

3) После сепарации пиво подвергается температурной обработке при температуре 85°С 8 мин. Нагрев необходим для перевода а-ацетолактатз в диацетил. Перед входом в реакторы пиво охлаждается ДО 15!)С.

4) Далее пиво поступает на реакторы с иммобилизованными дрожжами. Накопленный после нагрева диацетил восстанавливается дрожжами до ацетоина и 2,3-бутандиола.

5) После дображивания пиво охлаждается до -2°С и выдерживается 24 часа для белковой стабилизации.

Метод температурной конверсии вицинальных дикетонов и альфа-

ацетолактата

Основные изменения во время созревания заключаются в осветлении гшна при седиментации дрожжей, достижении окончательных степени сбраживания и карбонизации, а также дображивания пива по средством удаления диацетила или УОК. Наиболее медленная фаза - удаление диацетила, состоящая из следующих этапов:

]) химической конверсии а-ацстолактата в диацетил,

2) проникновение диацетила в дрожжевые клетки,

3) биохимическое редуцирование диацетила в ацетоин и 2,3-бутандиол,

4) высвобождение веществ с низкой вкусовой активностью в пиво. Ограничивающим во времени фактором является химическая конверсия предшественника диацетила, а-ацетолактата, в диацетил, которая зависима как от времени гак и от температуры. Основная концепция ускорения конверсии а-а цетолактата в диацетил и ацетоин состоит в увеличении тепловой нагрузки при которой имеет место редукция вицинальных дикетонов - Теория температурной конверсии.

По сути технологическая схема теории конверсии сходна со схемой иммобилизованных дрожжей, из схемы исключены реакторы с иммобилизованными дрожжами

- После удаления дрожжей - тепловая обработка пива Концепция тепловой обработки заключается в быстрой термической конверсии

а) частичное превращение а-ацетолактата в диацетил, оставшегося в пиве после главного брожения

б) не смотря на обильную информацию из литературы, о том, что нагрев зеленого пива призван только для конверсии альфацетолактата в диацетил и в качестве побочного действия эффект пастеризации, из опытов видно, что основная часть а-ацетолактата, минуя стадию образования диацетила, конвертируется напрямую в ацетоин

Обуславливают эту реакцию анаэробные условия, поддерживаемые во время температурной конверсии, что еще раз подчеркивает важность исключения кислорода во время центрифугирования Тепловая обработка определяет асептичность пива, а также инактивирует протеолитические ферменты Эти ферменты могут негативно повлиять на пеностойкость пива, приготовленною традиционным способом В соответствие с этим пиво показывает улучшенную стабильность пены по сравнению с пивом доброженным традиционно

После тепловой обработки пиво охлаждается до желаемой температуры стабилизации и фильтрации Охлаждение пива равномерно и эффективно при использовании пластинчатого теплообменника

Из опытов видно, что УБК после тепловой обработки, как и после реакторов имеет значение 110 ррЬ Это подтверждает теорию температурной конверсии Таким образом, уже после теплообменника зеленое пиво по физико-химическим показателям соответствует нефильтрованному пиву, прошедшему процессы брожения и дображивания по классической технологии

Основываясь на результатах данного эксперимента, была проведена дегустация, целью которой ставилось сравнение органолептических показателей пива, сброженного по классической технологии, прошедшего через реактор с иммобилизованными дрожжами и прошедшего только тепловую обработку

Результаты сравнительных дегустаций, основанных на триангулярном принципе, показали, что качество трех образцов сравнимо Никаких посторонних привкусов обнаружено не было Образцы соответствовали вкусовому профилю данного сорта пива

Выводы

1 Установлено, что выбор носителя определяегся штаммами дрожжей близкими друг к другу по адсорбционным свойствам

2 Кинетика адсорбции дрожжей на носителе описывается уравнением

(1), где коэффициент пропорциональности к зависит от свойств носителя, а

коэффициент а - удельная скорость вымывания дрожжей, определяется свойствами дрожжей

На практике рекомендуется применять носитель ДЕАЕ-целлюлозу и штамм 129, так как они обладают высокой адсорбционной способностью

3 Показано, что для иммобилизации пивных дрожжей оптимальными значениями являются рН 3,6-6,6 и температура 32-36 °С.

4 Выявлено, что технология температурной конверсии вицинальных дикетонов позволяет ускорить процесс дображивания

5 По комплексу показателей качества установлена идентичность пива, полученного традиционной технологией и технологиями иммобилизации и температурной конверсии вицинальных дикетонов

6 Разработка технологии ускорения дображивания с помощью иммобилизованных дрожжей пригодна для производства высококачественного пива класса премиум

7 Разработка технологии температурной конверсии вицинальных дикетонов и альфа-ацетолактата пригодна для производства пива, среднего и низового ценовых сегментов пива

ПЕРЕЧЕНЬ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Файзуллаев Т X Заборовский О А, Шлейкин А Г Использование иммобилизованных клеток в пивоварении Деп в ВИНИТИ 2003

2 Дроздова Ю А , Файзуллаев Т X Исследование свойств пивных дрожжей при иммобилизации Научно-техн конференция молодежи Научные труды СПб СПГУНиПТ- 2003 -С 157-158

3 Файзуллаев Т X, Дроздова Ю А, Василинец И M Подбор носителя для иммобилизации дрожжей применительно к производству пива Сборник «Актуальные вопросы биотехнологии» Деп в ВИНИТИ 17 03 2003 №460 — В2003

4 Faizoullaev Т The pioduction of lager beer with îmmobihzed yeast, continuous maturation // Сборник трудов молодых ученых СПбГУНиПТ -2005 - С 101-103

5 Файзуллаев Т X Иммобилизация дрожжей и сенсорные особенности пива, приготовленного по системе ИММО// Индустрия напитков -2006 -№1 (43) -С 18-21

6 Файзуллаев Т X Иммобилизация дрожжей и сенсорные особенности пива, приготовленного по системе ИММО // Индустрия напитков - 2006 - №2 (44) - С 32-35

7 Файзуллаев Т X , Тишин В Б Исследование способности дрожжей Sacchromyces cerevisiae к иммобилизации на поверхности носителя с целью ускорения дображивания пива //Пиво и напитки -2006 -№6 - С 10-11

Подписано к печати 4.04 0 7 Формат 60x80 1/1 б Бумага писчая Печать офсетная Печ л J 0 Тираж 80 экз Заказ № 66

СПбГУНиПТ 191002, Санкт-Петербург, ул Ломоносова, 9 ИПЦ СПбГУНиПТ 191002, Санкт-Петербург, ул Ломоносова, 9

Содержание.

Введение.

Глава 1. Аналитический обзор литературы по технологии ускоренного дображивания с помощью иммобилизованных дрожжей.

1.1.Современное состояние теории, техники и технологии ускоренного дображивания с помощью иммобилизованных дрожжей.

1.1.1 Процессы брожения и дображивания.

1.1.2. Современное оборудование и основные процессы, происходящие при брожении - дображивании.

1.1.3. Перспективность использования иммобилизованных микроорганизмов.

1.1.4. Иммобилизация и ее преимущества.

1.2 Использование иммобилизации в пивоварении.

1.2.1 Производство безалкогольного пива.

1.2.2 Главное брожение.

1.2.3 Дображивание пива.

1.2. Методы иммобилизации в пивоварении.

1.2.1. Методы иммобилизации.

1.2.2 Типы реакторов.

1.4 Механизмы иммобилизации.

1.4.1. Процессы на основе фиксированных на носителях микроорганизмов.

1.4.2 Ковалентная иммобилизация дрожжевых клеток и их использование.

1.4.3. Адсорбция клеток дрожжей на нерастворимых подложках.

1.4.4. Иммобилизация клеток с помощью биоспецифицеской адсорбции.

1.4.5. Методы включения клеток в ковалентно-сшитые гели.

1.4.6. Методы включения клеток в не ковалентные гели.

1.5. Носители для иммобилизации клеток пивных дрожжей.

1.5.1 .Органические полимерные носители.

1.5.2 Синтетические носители.

1.5.3. Неорганические носители.

Глава 2 . Объекты, материалы и методы исследования.

2.1. Пивоваренные штаммы дрожжей.

2.1.1. Мальтазная активность дрожжей.

2.2. Носители для иммобилизации пивоваренных дрожжей.

2.3. Показатели качества использованных в работе материалов.

2.3.1. Показатели качества солода.

2.3.2. Показатели качества мальтозных сиропов.

2.4. Методы оценки показателей качества материалов.

2.4.1. Методы анализа солода.

2.4.2. Определение содержания Сахаров в мальтозном сиропе и солодовом сусле.

2.4.3. Определение степени сбраживания сусла.

2.5. Определение показателей пива.

2.5.1. Определение физико-химических показателей.

Глава 3. Экспериментальные исследования иммобилизации пивных дрожжей

3.1. Подбор носителей для иммобилизации дрожжей применительно к производству пива.

3.2. Влияние внешних факторов на способность дрожжей к иммобилизации.

3.2.1. Исследования влияния рН.

Глава 4. Метод температурной конверсии вицинальных дикетонов и альфаацетолактата.

Выводы.

Актуальность работы. Российское пивоварение входит в число немногих отраслей пищевой промышленности, которой за относительно короткое время удалось совершить стремительный рывок от одной из самых отсталых советских отраслей до одного из наиболее динамичных и современных рынков отечественной экономики.

Сегодня российские пивоваренные компании выпускают свыше полутора тысяч марок пива, среди которых есть национальные брэнды, завоевывающие популярность не только в России, но и в таких "пивных" державах, как Великобритания и Германия.

Сегодня в нашей стране работает 250 пивоваренных предприятий.

Что касается 2005 год, то динамика роста потребления пива составила 5-6% (в 2004 году производство увеличилось на 11,5%). Тенденция потребления пива приведена на рис. 1.1. Пока нельзя сказать, что пивоваренный рынок близок к насыщению, но в то же время надо отметить, что в 90-е годы он развивался в основном за счет столичных регионов -Москвы и Санкт- Петербурга. Уровень потребления пива, например, в Санкт -Петербурге составляет около 90 литров на человека в год. В регионах объемы продаж не столь высоки, что связано с невысоким уровнем жизни населения, особенно в районных центрах и на селе. В то же время именно за счет регионов рынок и может развиваться в ближайшей перспективе.

На фоне роста объемов продаж, анализа ситуации на рынке и результатов маркетинговых исследований от промышленности требуется увеличение объемов производства. В соответствие с этим необходимы новые технологии интенсификации процесса приготовления пива.

В пивоваренной промышленности это может быть осуществлено следующими путями:

Сравнительная характеристика динамики роста производства пнвз за 2064-2005 гг„ в % (рассматриваемый отчетный период текущего года в % к аналогичному периоду прошлого года)

Рис. 1.1 Тенденция потребления пива за 2004-2005 гг.

- строительство нового производственного комплекса или модернизация старого.

- переход на технологию, так называемого, высокоплотного пивоварения, связанную с получением пива с массовой долей сухих веществ большей, чем в товарном пиве и последующем разведением плотного пива специально подготовленной водой до необходимой концентрации.

Эти направления тесно связаны между собой, осуществление которых невозможно без значительных капиталовложений.

Последний вариант не требует коренной перестройки завода и выглядит весьма привлекательным, правда возможности его использования не безграничны, и вскоре могут быть исчерпаны. Судя по динамике модернизации пивоваренной промышленности в целом, через некоторое в России большинство крупных заводов будут использовать данную технологию.

Таким образом, одной из актуальных задач пивоваренной промышленности, решение которой обеспечит повышение эффективности пивоваренного производства, является сокращение продолжительности технологических стадий производства. Особенно это относится к процессу сбраживания пивного сусла, так как данный процесс является самым длительным в пивоваренном производстве.

Ни один из известных способов интенсификации процесса брожения не является совершенным, так как они имеют свои недостатки.

Использование иммобилизованных клеток дрожжей позволяет легко управлять биокатализом. Способность иммобилизованных клеток дрожжей интенсифицировать процесс брожения обусловлена разными факторами. Иммобилизация позволяет накапливать большую биомассу с единицы объема реактора, чем при периодическом и непрерывном процессе с использованием свободных клеток. В результате значительно повышается выход продукта.

Альтернативой является введение новых технологий, а именно ускорение процесса дображивания, как наиболее длительного при приготовлении пива.

Цель и задачи исследования.

Целью данной работы является ускорение процесса дображивания с помощью технологий иммобилизации пивоваренных дрожжей и температурной конверсии виценальных дикетонов.

В соответствие с поставленными целями решались следующие задачи:

• подбор, на основе литературных и экспериментальных данных, носителей для иммобилизации пивоваренных дрожжей;

• проведение экспериментов, позволяющих оптимизировать рабочие параметры производства пива с помощью установки иммобилизованных дрожжей;

• исследование способности пивоваренных дрожжей к иммобилизации;

• разработка технологии конверсии вицинальных дикетонов с помощью повышенных температур;

• оценка экономической эффективности применения технологий иммобилизованных дрожжей и температурной конверсии вицинальных дикетонов в промышленных масштабах.

Научная новизна.

Проведена исследовательская работа по определению наиболее подходящих носителей и пивоваренных дрожжей применительно к иммобилизации дрожжей для ускоренного дображивания молодого пива.

Приведены исследования влияния внешних факторов на способность пивоваренных дрожжей к адсорбции на поверхности носителя.

Установлены оптимальные пределы рН и температуры способствующие иммобилизации.

Впервые показана целесообразность использования методов температурной конверсии вицинальных дикетонов для ускорения процессов брожения.

Практическая значимость. На основании теоретических и экспериментальных изысканий исследованы носители и выбран наиболее подходящий для иммобилизации пивоваренных дрожжей с целью ускорения дображивания "молодого" пива.

Приведены оптимизированные технологические параметры технологии дображивания с помощью иммобилизованных дрожжей.

Разработана и приведена экономическая эффективность технологии ускорения дображивания с помощью температурной конверсии вицинальных дикетонов.

Объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, списка литературы и 7 приложений.

Выводы

1. Было установлено, что выбор носителя определяется штаммами дрожжей близкими друг к другу по адсорбционным свойствам.

2. Кинетика адсорбции дрожжей на носителе описывается уравнением

1), где коэффициент пропорциональности к зависит от свойств носителя, а коэффициент - удельная скорость вымывания дрожжей (3.) определяется свойствами дрожжей.

На практике рекомендуется применять носитель ДЕАЕ-целлюлозу и штамм 129, так как они обладают высокой адсорбционной способностью.

3. Наиболее приемлемыми значениями диапазонами рН, температуры сред для иммобилизации являются рН 3,6-6,6 и 32-36 °С.

4. Установлено, что технология температурной конверсии вицинальных дикетонов позволяет ускорить процесс дображивания.

5. На базе производственных масштабов проведены сенсорные исследования, позволяющие утверждать об идентичности пива получаемого традиционной технологией и технологиями иммобилизации и температурной конверсии вицинальных дикетонов.

1. Айльс Х.-Г., Айдтман А., Бак В. Мероприятия по улучшению дрожжевых технологий и их внедрение на практике// Brauwelt-Мир пива, 2001, №23, с. 29-33.

2. Великая Е. И., Суходол В. Ф. Лабораторный практикум по курсу общей технологии бродильный производств// М.: Легкая и пищевая промышленность, 1986,-368с.

3. Дмитренко Л.В., Яскович Г.А., Елькин Г.Э., Анньева Е.П., Витовсая Г.А., "Сорбционная Иммобилизация дрожжевых клеток". Технология биопрепаратов.

4. Дж. Вудворд ред., "Иммобилизованные клетки и ферменты", Москва Мир 1988

5. Колпакчи А.П. Ускоренные процессы брожения и дображивания пива. М., НИИТЭпищепром.

6. Колпакчи А.П. 516737 (СССР). "Способ непрерывного сбраживания пивного сусла". Опубл. в Б.И., №21

7. Колпакчи А.П. Возможность применения закрепленных на носителях дрожжевых клеток при сбраживании пивного сусла. Теория и практика. Пущино, 1978. с. 141-149

8. Колчева Р. А., Херсонова Л. А., Калунянц, К. А., Садова А. И. Химико-технологический контроль пиво-безалкогольного производства// ВО «Агропромиздат», 1988, -272с.

9. Косьминский Г. И. Технология солода, пива и безалкогольных напитков// Минск: Дизайн ПРО, 2001, 352с.

10. Кочетов B.C. Течение бродящих сахаросодержащих сусел в биологически активной пористой среде//Доклады Россельхозакадемиию 1996 с. 35-37

11. Кочетов B.C. Течение бродящих сахаросодержащих сусел в биологически активной пористой среде//Доклады Россельхозакадемиию 1996 с. 35-37

12. Ле Ван Въет Манн, Гернет М.В.: применение иммобилизованных дрожжей в пивоварении. Российская Академия Сельскохозяйственных наук АгроНИИТЭИПП. Москва 1995. Выпуск №1.

13. Меледина Т.В. Роль штаммовых характеристик дрожжей в формировании вкуса и аромата пива// Brauwelt Мир пива, 1997, № 1, с. 35-37.

14. Меледина Т.В. Сырье и вспомогательные материалы в пивоварении// СПб.: Профессия. 2003, с. 71.

15. Мальцев П. М., Великая Е. И., Зазирная М. В., Колотуша П. В. Химико-технологический контроль производства солода и пива// М.: Пищевая промышленность, 1976, 447с.

16. Муравицкая Л.В. Технохимический контроль пивоваренного и безалкогольного производства и основы управления качеством продукции// Агропромиздат, 1987, -256с.

17. С. Дж. Перт Основы культивирования микроорганизмов и клеток. Под редакцией проф. И. Л.Работновой Издательство «Мир» Москва 1978

18. Сабурова Н.А.: Иммобилизованные дрожжи в производстве спирта. Российская Академия Сельскохозяйственных наук АгроНИИТЭИПП. Москва 1993. Выпуск №5.

19. Филимонова Т.И.: "Новая технология пивоварения с использованием иммобилизованных дрожжей". Всерос. Научно-исследовательский институт пивоваренной безалкогольной и винодельческой промышленности. Москва 1993. Выпуск №5.

20. Файзуллаев Т. X. "Иммобилизация дрожжей и сенсорные особенности пива, приготовленного по системе ИММИ", Индустрия напитков, 1(43), 2006г.

21. Файзуллаев Т.Х. Дроздова Ю.А. "Исследование свойств пивных дрожжей к иммобилизации" Научно-техн. Конференция молодежи. Научные труды. СПб, 2003

22. Файзуллаев Т.Х. Заборовский О.А., Шлейкин А.Г. Использование иммобилизованных клеток в пивоварении УДК 663. 44 СПб, 2003

23. Хорошилова В.Г., Саенко Н.Ф., Саришвили Н.Г., Шур И.М. Пути совершенствования производства хереса. ЦНИИТЭИпищепром.

24. Aschengreen, N.H., Jepsen, S., Proc. Conv. Inst. Bre (Aust NZ sect) Melbourne 1992(22) 80-83

25. Aivasidis, A., ET AL.: Eur.Brew.Chem.Conv., 1991,s.569

26. Andersen K., Tuchenhagen Skandinavien A/S, "Scaling up and technology considerations with immobilized systems", EBC-analitica, Espoo 1995

27. Anderies M., van Beveren P.C., Goffin O. Masschelein, "Design of a multi-purpose immobilized yeast bioreactor ayatem for application in the brewing process", Meura-Delta, CERIA-COOVI. EBC-analitica, Espoo 1999

28. Brunner R., Oberzill W., Menzel J., in: Continuous Cultivation of Microorganisms ed. Malek I. et al., p. 323, Academia, Prague, 1968.

29. Basanova, G.et al.: Pivovarsko sladarska analityka (Merkanta) Praha, 1992

30. Bardi E.P.,Koutinas A.A. Soupioni M.J. Kandellaki M.E. Immobilization of yeast on delignified cellulose material for low temperature brewing. J. Agric Chem. 1996

31. Brautechnische Analysenmethoden, Band 2// Selbstverlag der MEBAK D-85350 Freising-Weihenstephan, 1993.

32. Contois D.E., J. gen. Microbiol., 54, 343 (1968)

33. Champagne, C.P., Blahuta, N. Brion, F. and Gagnon, C. (2000), A vortex-bowl disk atomizer system for the production of alginate bead in a 1500-liter fermenter, Biotech. Bioeng. 68,6 681-688.

34. Debourg, A., Goossens, E., Villenueba, K.D., Masschelein, C.A., Pierard, A., Proc. Europen Brewery Convention, Lisbon, 1991, 265-272

35. Godtfredsen, S.E., Ottesen, M., Sigsgaard, P., Erdal, K., Mathiasen, Т., Ahrenst-Larsen, В., Proc. European Brewery Convention, London 1983, 161168

36. Godtfredsen, S.E., Rasmussen, A.M., Ottesen, M., A.M., Mathiasen, Т., Ahrenset-Larsen, В., Carlsberg Res Comm. 1984, 49 (1) 69-74

37. Gemeiner, P., et al.: Biotechnol. Appl. Biochem. 13, 1991, s 335

38. Haukeli, A. D., Lie, S, J. Inst. Brew 1978, 84, 85-89

39. Haikara A., Kronlof J., VTT Biotechnology and Food Research, "Hygiene and microbiological control requirements of immobilized systems", EBC-analitica, Espoo 1995

40. Heyse K.U. Handbuch der brauereipraxis. 3d edition// Gefrankefachverlog. 1989, p. 865.

41. Inoue, Т., Murayama, Y., Kajino, K., Kamina, Т., Mitsu, S., Mawataki, M., Proc. European Brewery Convention, Lisbon 1991

42. Jepsen, S.E., Pedersen, N.K., Proc. InternationalBrewing Convention 5th, Harrogate 1992, 277-286

43. Kunze W., "Technology Brewing and Malting", VLB Berlin 1999

44. Lommi H. IMMOCON: Immobilised yeast processws and plants for brewing. Interbraw 1997, Munchen, 19-26 sept.

45. Narziss, L.: Brwlt 40 (1992), S. 1891

46. Nothaft, A., European Brewery Convention Monograph XXIV, 1995, 41-49

47. Pajunen E., Gronquist A., Ranta В.: Применение реактора с иммобилизованными дрожжами в непрерывном промышленном процессе, ЕВС, материалы 23-го конгресса Лиссабон, 1991, 361-368.

48. Pajunen, Е., Makinen, V., Gisler, R., R., Proc. European Brewery Convention, Madrid, 441-448 (1987)50. . Pajunen, E., European Brewery Convention Monograph XXIV, 1995, 24-34

49. Pajunen, E., Enary, T.M., European Brewery Convention Monograph V, 1978, 181-191

50. Pajunen E. J I nuovo stabilimento Kerava: Una birreria per gli anni Novanti/Birra e malto. 1995. 40 #57. P. 4-17

51. Polednikova, M., et. al.: Kvasny Prum., 39, 1993, s. 2

52. Ryder D.S., Masschelein C.A.: Иммобилизованные дрожжи в пивоварении ближайшая перспектива, ЕВС, материалы 2-го конгресса, Лиссабон, 1991,345-352.

53. Shildo, S., Sahara, S., Watanable, N. and Koshino, S.,(1994), Main Fermentation with Immobilized Yeast Using Fluidized Bed Reactor, Proceedings of the 23rd Conv. Inst. Brewing Asia Pacific Section, 10-15 April, Sydney Australia, 109-113.

54. Suihko, M-L., Penttila, M., Sone, H., Home, S., Blomqvist, K., Tanaka, J., Inoue, Т., Knowles, J., Proc. European Brewery Convention, Zurich 1989,483-490

55. Smogrovicova, D., et al.: Biotech. Tech., 4, 1997, s 261

56. Sneven, A., Power, J., Ryder, D.S.: Brew.Digest, 1991 (1), s.44

57. Van de Winkel, Van Beveren, P.C., Masschelein, C.A., Proc. Eur.Brew.Chem.Conv., 1991, s.574

58. Villa, K.D., Lee, S., Goossens, E., Debourg, A., Masschelein, C.A., J.Am. Soc. Brew. Chem. 1995, 53 (2), 42-53

59. Wainwright, Т., J. Inst. Brew 1973, 79, 451-470

60. Wase D.A.J Forster C.F. Ecological Biotechnology, Ellis Horwood Limited 1990.

61. Wackelbauer R/K/. Fitzner M., Gienther, J.A Brauwelt 136, 1996 (45), s. 2140

62. Yamauchi, Y., Okamoto, Т., Murayama, H., Kajino, K.,Amikura, Hiratsu, H., Nagaka, A, Kamiya, Т., Inoue, Т., International Biotechn. 38 (1995), 101-108

63. Yamauchi, Y., Okamoto, Т., Murayama, H., H., Nagaka, and Kashihara, Т. (1995d), Rapid fermentation of beer using an immobilized yeast multistage bioreactor system Control of sulphite formation, Appl. Biochem. Biotech., 53 277-283