Процессы брожения и созревания пивного сусла

1. полностью гидролизующие крахмал до глюкозы и
2. гидролизующие крахмал до глюкозы на 80-85%.

        В то время предполагалось, что степень гидролиза зависит только от свойств глюкоамилаз и их происхождения. Позже было показано, что при росте культуры параллельно накапливаются и другие амилолитические ферменты, обладающие не только гидролитическим, но и трансферазным действием. Это гликозилтрансфераза и a-амилаза. Даже в случае, если система открытая и продукт гидролиза (глюкоза) постоянно удаляется из системы, процесс может дойти до полного гидролиза крахмала до глюкозы. Если же система закрытая и концентрация субстрата велика, то при достижении определенной концентрации глюкозы в реакционной среде в результате переноса глюкозильных остатков на глюкозу, ди- и олигосахариды начинают накапливаться изомальтоза, паноза, нигероза, изомальтотриоза и другие сахара, которые имеют горький вкус. В результате процесс не может дойти до полного превращения крахмала в глюкозу и возникает ошибочное представление, что глюкоамилаза не полностью гидролизует крахмал. Сама же глюкоамилаза может проявлять небольшую трансферазную активность, но только при концентрации глюкозы свыше 60-70%. Поэтому ранее принятое деление глюкоамилаз на два типа следует считать необоснованным.[3]

2.1.Этапы приготовления пива.

Производство пива включает в себя следующие этапы: 
1.приготовление солода

• дробление солода

3.   получение пивного сусла:

• затирание
• фильтрование
• кипячение сусла с хмелем
• отделение сусла от хмелевой дробины.
• охлаждение и осветление сусла

4.   сбраживание пивного сусла и дображивание пива

• осветление и розлив пива[5]

2.1.Основные понятия о процессе брожения

     Сначала процесс брожения рассматривали только как химический. Луи Пастер впервые связал его с жизнедеятельностью микроорганизмов — дрожжей. Далее им было доказано, что многие микроорганизмы получают энергию а анаэробных условиях в процессе сбраживания углеводов. Превращение сахара в спирт в результате размножения дрожжей — сложный ферментативный процесс, осуществляемый через ряд промежуточных стадий, каждая из которых катализируется особым ферментом.  
     Химизм спиртового брожения изучали многие отечественные ученые, особенно Л. А. Иванов, С. П. Костычев и А. Н. Лебедев, а Также зарубежные — А. Гарден, К. Нейберг, О. Метергоф, Г. Эмбден и др.  
     Л. А. Иванов и А. Н. Лебедев установили, что в процессе броже-:я важную роль играет фосфорная кислота. Она содержится в жжах и других живых организмах в виде кислот: аденозиішоно-форной (аденозинмонофосфат — AMP), аденозиндифосфорной енозиндифосфат — ADP) и аденозинтрифосфорной (аденозин-ифосфат — ATP).  
     Эти кислоты легко отщепляют фосфорную кислоту. Весь процесс брожения — это многоэтапный процесс, протекающий при участии различных ферментов с образованием различны* Продуктов.  
Процесс спиртового брожения включает следующие стадии:  
     1. Стадия превращения глюкозы — реакция фосфорилирование при участии фермента гексокиназы. К молекуле глюкозы при Соединяется фосфатный остаток от молекулы ATP, которая находится в клетках дрожжей. Образуется глюкозо-6-фосфат, a ATT вращается в ADP. Таким образом, реакция фосфорилирования протекает по следующему уравнению:  

 

 
 
      В результате присоединения фосфатного остатка от молекулы ATP к глюкозе реакционная способность последней возрастает.  
      2. На этой стадии глюкозо-6-фосфат путем изомеризации под действием фермента глюкозофосфатизомеразы переходит обратно в форму фруктозы: 

 

 

 

 
     3. Далее под действием соответствующего фермента фосфо-фруктокиназы со второй молекулы ATP переносится еще один фосфорный остаток на фруктозо-6-фосфат и образуется фруктозо-1,6-дифосфат и новая молекула ADP:  

 

 

 
    Образованием фруктозо-1,6-д и фосфата заканчивается подготовительная стадия спиртового брожения с переносом макроэргических фосфатных связей и с преобразованием гексозы в лабильную оксиформу, легко подвергающуюся дальнейшим ферментативным превращениям.  
    4. Важнейшая стадия — десмолиз, при котором разрываются углеродные цепи фруктозодифосфата с образованием двух молекул фосфотриоз. Симметричное расположение остатков фосфорной кислоты по концам молекулы фруктозы облегчает разрыв ее углеродной цепи как раз в середине. Реакция катализируется ферментом альдолазой и обратима:  

 

 
    Главная роль в дальнейших превращениях при спиртовом брожении принадлежит глицеральдегид-3-фосфату, который под действием фермента триозофосфатизомеразы образует диоксиацетон-фосфат.  
    5. Стадия окисления двух молекул глицеральдегид-3-фосфата. Эта реакция катализируется триозофосфатдегидрогеназой, коферментом которой является NAD (никотинамидадениндинуклеотид). В окислении участвует фосфорная кислота. Реакция протекает

 

 

 

 
    Молекула глицеральдегид-3-фоефата присоединяет фосфат, а водород переносится на кофермент NAD, который восстанавливается (NADH2). Энергия, освобождающаяся в результате окисления глицеральдегид-3-фосфата, аккумулируется в макроэргической связи образующейся Т.З-дифосфоглицериновой кислоты.  
    6. Фосфатный остаток 1,3-дифосфоглицериновой кислоты, содержащий макроэргическую связь, при участии фермента фосфо-глицераткиназы переносится на молекулу ADP. Образуется 3-фосфоглицсриновая кислота, и ADP, приобретая дополнительную макроэргическую связь, превращается в АТР:  

 

 

 
 
     7. Под действием фермента фосфоглицеромутазы остаток фо< формой кислоты перемещается от третьего углерода ко второму и результате 3-фосфоглицериновая кислота превращается в 2-фосфс глицериновую кислоту:  

 

 
     8. Следующая стадия — дефосфорилирование фосфоглицерит вой кислоты. При этом 2-фосфоглицериновая кислота под ствием фермента фосфопируватгидратазы путем дегидратирована (потеря воды) превращается в фосфоенолнировиноградную кислоту:  

 

 

 
При этом превращении перераспределяется внутримолекулярная энергия и большая ее часть аккумулируется в макроэргической фосфатной связи.  
     9. Весьма нестойкая фосфоенолпировиноградная кислота лап дефосфорилируется, при этом остаток фосфорной кислоты под действием фермента фосфоферазы передается вместе с макроэргической связью молекуле ADP. В результате этого образуется более устойчивая кетоформа пировиноградной кислоты, a ADP превращается в АТР:  

 

 

 
      10. Пировиноградная кислота под действием фермента нирувата декарбоксилазы декарбоксилируется с отщеплением СО, и образованием уксусного альдегида:  

 

 

 
     11. Уксусный альдегид при участии фермента алкогольдегидр геназы взаимодействует с NADH1, образовавшимся ранее при окислении фосфоглицеринового альдегида в фосфоглицериновую кислоту [см. уравнение (1.5)]. В результате уксусный альдегид восстанавливается в этиловый спирт, а кофермент NADH2 вновь реї нерируется (окисляется в NAD):  

 

 

 
     Итак, завершающий этап брожения — реакция восстановления уксусного альдегида в этиловый спирт.  
      Из рассмотренного цикла реакций спиртового брожения видно, что на каждую молекулу глюкозы образуется две молекулы этанола и две молекулы CO2.  
В процессе спиртового брожения образуется четыре молекулы ATP [см. уравнения (1.6) и (1.9)], но две из них затрачиваются на фосфорилирование гексоз [см. уравнения (1.1) и (1.3)]. Таким образом, запасается всего 2 грамм-молекулы АТР. [1]

 

3.1.Процессы происходящие при брожении пивного сусла.

     При главном брожении сусла протекают биологические, биохимические и физико-химические процессы, которые обусловливают формирование состава молодого пива.

     Биологические процессы. К ним относится процесс размножения дрожжей. Способность дрожжей к размножению, т. е. к увеличению числа их клеток, зависит от состава питательных веществ в сусле, температуры, рН среды, доступа кислорода и др.

     Размножение дрожжей при сбраживании пивного сусла проходит четыре основные фазы:

    Латентную, когда клетки приспосабливаются к среде и дрожжи приспосабливаются к новой среде и подготавливаются к размножению. Эту фазу условно можно разделить на две части: фазу действительного покоя, когда клетки приспосабливаются к среде, и фазу постепенного начала размножения. Продолжительность латентной фазы для пивных дрожжей 1-1,5 суток. В ней клетки увеличиваются в объеме и удлиняются, растет доля почкующихся клеток. 

     Логарифмическую, характеризующуюся интенсивным размно­жением при некотором отставании прироста биомассы дрожжей;

    Стационарную, в которой размножение дрожжей замедляется и количество клеток остается без изменений;

      Затухания, характеризующуюся снижением активности размножения клеток, что обусловлено уменьшением массы питательных веществ и увеличением количества продуктов обмена.

       Размножение дрожжей прекращается, мертвые клетки оседают на дно бродильного аппарата. Количество дрожжевых клеток в конце брожения увеличивается в 2.. .5 раз.[3]

4.1.Расы пивных дрожжей.

     В пивоваренном производстве используют только культурные дрожжи, которые относятся к семейству Saccharomycetaceae и роду Saccharomyces. Различают дрожжи низового брожения и дрожжи верхового брожения. Дрожжи верхового брожения относят к виду Saccharomyces cerevisiae, дрожжи низового брожения первоначально были отнесены к виду Sacchcarlsbergensis, затем Sacchuvarum или к Sacchcerevisiae. 
     Дрожжи верхового брожения в процессе интенсивного брожения всплывают на поверхность сбраживаемой жидкости, накапливаются в виде слоя пены и остаются в таком виде до конца брожения. Затем они оседают, образуя весьма рыхлый слой на дне бродильного аппарата. По своей структуре эти дрожжи относятся к пылевидным дрожжам, не слипающимися между собой, в отличие от хлопьевидных низовых дрожжей, оболочки которых клейкие, что приводит к слипанию (агглютинации) и быстрому осаждению клеток.  
      Дрожжи низового брожения не переходят в поверхностный слой пива — пену, а по окончании брожения быстро оседают и образуют плотный слой на дне бродильного аппарата.  
Флокуляция - это объединение дрожжей в рыхлые хлопьевидные агрегаты. В пивоварении под флокуляцией понимают обратимую агрегацию дрожжевых клеток, которая зависит как от свойств расы дрожжей, так и от состава, концентрации, температуры сусла.  
      После образования дрожжами хлопьев начинается физический процесс седиментации — оседание под действием сил тяжести. [2] 
Способность дрожжей к хлопьеобразованию (флокуляции) имеет большое значение для технологии сбраживания пивного сусла, так как способствует ускорению осветления пива и облегчает съем дрожжей из бродильного аппарата после брожения с последующим повторным использованием их в качестве семенных дрожжей. Низкая температура при брожении, кислотность среды (pH 4-4,4) содействуют хлопьеобразованию.  
      Реакция среды сильно влияет на свойства дрожжей. Например, в кислой среде при pH менее 3 и в щелочной среде при pH более 8 хлопьевидные дрожжи становятся пылевидными. Хлопьевидные дрожжи по сравнению с пылевидными имеют более крупные клетки, меньше подвержены автолизу, дают больший прирост биомассы, обладают меньшей бродильной активностью, образуют меньше диацетила и высших спиртов в пиве, что положительно сказывается на его качестве.  
       Дрожжи низового брожения отличаются от дрожжей верхового брожения тем, что они полностью сбраживают рафинозу, имеют оптимальную температуру для роста 25-27°С и минимальную 2-3°С, а при 60-65°С - отмирают. Максимальное размножение низовых дрожжей происходит при pH 4,8—5,3. Кислород, растворенный в сусле, способствует размножению дрожжей, в то время как продукты брожения (этиловый спирт, диоксид углерода, высшие спирты, ацетальдегид, кислоты), а также повышенная концентрация сахара угнетают развитие дрожжей.  
Пивные дрожжи должны отвечать следующим требованиям: быстро сбраживать сусло, придавать пиву чистый вкус и приятный аромат, активно образовывать хлопья, осветляя таким образом пиво в ходе брожения.  
     Бродильную активность дрожжей определяют по степени сбраживания сусла. Степень сбраживания (V) — это показатель, выраженный в процентах, характеризующий отношение массы сброженного экстракта (E-е) к массе сухих веществ в начальном сусле (E): 

 
V = [100(E-e)]/E,

где е — содержание экстрактивных  веществ в пиве, % к массе пива.  
По степени сбраживания дрожжи делятся на сильно- или высоко-сбраживающие (степень сбраживания 90—100%), среднесбраживающие (80-90%), слабо или низкосбраживающие (менее 80%).  
К сильносбраживающим относятся дрожжи рас: 11, f-чешская, 34, 308, 129, Ф-2, 8аМ, 70. Дрожжи расы 11 сразу начинают сбраживать мальтозу (в отличие от других дрожжей, которые сначала сбраживают глюкозу), не требовательны к качеству сырья, хорошо оседают, пиво характеризуется полным вкусом. Дрожжи расы f-чешская хорошо осветляют пиво, придают ему приятный аромат, устойчивы к инфекции и автолизу. Дрожжи штамма 8аМ имеют высокую бродильную активность, повышенный коэффициент размножения, хорошо оседают, а дрожжи штамма Ф-2 способны сбраживать мальтотетрозу и низкомолекулярные декстрины, поэтому глубоко выбраживают сусло. Использование дрожжей этих двух рас дает возможность сократить длительность главного брожения с 7 до 5 сут и получить пиво с хорошим вкусом. Дрожжи расы 34 быстросбраживающие, но прихотливы к качеству сырья. Также повышенные требования к сырью у дрожжей расы 308. Пиво, сброженное дрожжами рас 8аМ, 11, f-чешская, более устойчиво к холодному помутнению. К среднесбраживающим относятся дрожжи рас 776,41,44, S-львов-ская, P (получена из Чехии), А (выделена на рижском пивоваренном заводе «Алдарис»), гибрид 131-К. Дрожжи расы 776 неприхотливы к сырью, их можно использовать для приготовления пива с применением несоложеных материалов. Готовое пиво имеет удовлетворительный вкус, резкую хмелевую горечь. Дрожжи рас 41, 44, ShP обладают хорошей способностью оседания, вкус пива получается чистым, мягким. Дрожжи расы 44 дают возможность получать хорошее пиво при применении воды повышенной жесткости. Дрожжи расы А хорошо осветляют пиво, устойчивы к инфекции.  
Дрожжи расы 131-К не сбраживают сахарозу, лактозу и рафи-нозу и используются только для приготовления темных сортов пива со сладким вкусом.  
       Для темных и специальных сортов, вырабатываемых на некоторых минипивоваренных заводах, и для домашнего приготовления рекомендуется применять дрожжи верхового брожения.  
Для сортов пива с повышенной массовой долей сухих веществ в начальном сусле следует использовать расы 8аМ, 11, 41 и S-львовская для сортов с концентрацией CB в сусле 18% и дрожжи расы 11 для 22%-ного.[2]

 

 

 6.1.Установка для разведения чистой культуры дрожжей 

 
      Первой стации размножения дрожжей, резервуар предварительного брожения для стерилизации и охлаждения сусла, а также проведения второй стадии размножения чистой культуры. Температура воздуха в отделении чистой культуры поддерживается 8—9°С.  
Разведение чистой культуры происходит следующим образом. В стерилизатор из сусловарочного аппарата набирают горячее охмеленное сусло, кипятят его в течение 1 ч и охлаждают до 8°С. Затем с помощью сжатого стерильного воздуха охлажденное сусло подают в бродильный цилиндр , куда через специальный кран из медной колбы Карлсберга вводят чистую культуру и сбраживают сусло в течение 3 сут. При этом дрожжи размножаются, масса их увеличивается. К концу третьих суток резервуар предварительного брожения заполняют суслом, которое тоже нагревают до кипения, а затем охлаждают. Часть чистой культуры из бродильного цилиндра отбирают на хранение в сосуд для посевных дрожжей, где оно хранится до следующей разводки, а основную часть перекачивают в резервуар , где осуществляют предварительное брожение при 8°С в течение 3 суток.  
      В следующих циклах разведения дрожжи для посева в стерильное сусло, находящееся в бродильном цилиндре , берут из сосуда . Процесс разведения чистой культуры в установке повторяют многократно до обнаружения в дрожжах посторонней микрофлоры. [2]