Расчет выхода экстракта с холодным суслом
Расчет выхода экстракта с холодным суслом проще, чем расчет выхода экстракта в варочном цехе, так как в здесь отсутствует неопределяемый коэффициент 0,96.
Выход экстракта = (Количество сусла, л • Показание сахарометра • Плотность) / Масса засыпи, кг
Этот выход на 1 -2,5 % меньше выхода экстракта в варочном цехе.
Различия в выходе экстракта обусловлены уже упоминавшимися изменениями объема сусла на участке от варочного цеха до выхода из пластинчатого охладителя, причем температурное сжатие и возможное испарение не оказывают влияния на потерю экстракта.
2.8.2.1. Уменьшение объема вследствие температурного сжатия до температуры внесения дрожжей, равной, например, 5 °С, составляет 4,2 %. При поступлении охмеленного сусла в вирпул, особенно при тангенциальном вводе сусла, оно распределяется по большой поверхности, и происходит испарение, которое практически компенсируется при ополаскивании котла, так что уменьшение содержания экстракта составляет около 0,1 %. Объем сусла, который был определен при температуре внесения дрожжей, необходимо пересчитать на температуру 20 °С. Объем, вытесненный хмелем, для шишкового хмеля составляет 0,8 л/кг хмеля, для порошкового хмеля - 0,3-0,4 л/кг, а для хмелевого экстракта, 0.
2.8.2.2. Потери экстракта при использовании шишкового хмеля составляют 5 л/кг хмеля, то есть при внесении хмеля из расчета 150 г/гл - 0,73 %. При использовании современных хмелеотделителей, где хмель промывается водой в противотоке и дополнительно отпрессовывается, потери сокращаются до 0,2-0,3 %.
Потери с осадком взвесей горячего сусла при использовании пресса для извлечения сусла из осадка взвесей составляют 0,3-0,6 %, при отпрессовывании и вымывании - 0,1-0,15 %, а в саморазгружающихся сепараторах - 0,3-0,4 %. Потери экстракта в вирпуле при его оптимальном функционировании составляют 0,25-0,6 %, а при преждевременном сливе сусла они могут возрасти до 1-1,5 %.
При образовании осадка из дробины хмелевого порошка и взвесей горячего сусла в зависимости от дозирования порошка потери экстракта составляют 1-2 %, а в случае плохого отделения в вирпуле - намного больше. Саморазгружающиеся сепараторы горячего сусла при подаче однородной смеси с зондированием шламового пространства и количестве хмелевой дробины около 80 г/гл характеризуются потерями 0,9-1,0%, а сепараторы отстойного сусла (см. раздел 6.1.1.4) - около 0,6%. Как мы уже упоминали выше, смесь из хмелевой дробины и взвесей горячего сусла иногда вновь добавляют в следующую варку на той или иной стадии (затирания, перекачивания затора, фильтрования долива). В целях правильного учета выхода холодного сусла в варке, например, при снижении выхода варочного цеха, этот остаток необходимо определить. Смесь из хмелевой дробины и взвесей горячего сусла собирают в соответствующий тарированный танк, фиксируют ее количество и температуру, после чего смесь гомогенизируют месильным органом или продувкой CO2. Содержание экстракта определяют ареометром. Кроме того, целесообразно определить содержание сухих веществ в смеси хмелевой дробины и взвесей горячего сусла, причем это определение можно проводить периодически при условии, что количество хмеля (хмелевого порошка) остается постоянным.
Сравнение данных выхода горячего и холодного сусла представлено в приведенной ниже таблице.
Таблица 2.21. Сравнение выхода холодного и горячего сусла (засыпь 5000 кг)
| Варочный цех | |||
| Выход горячего сусла | Выход холодного сусла | ||
| Горячее охмеленное сусло, гл | Холодное сусло при 5 °С, гл | 298.3 | |
| Экстракт, % масс. | 12,0 | В пересчете на 20 °С, гл | 298,89 |
| Коэффициент выхода | 12,08 | Экстракт, % масс. | 11,92 |
| Экстракт, % масс/об. | 12,49 | ||
| Количество экстракта, кг | 3805,2 | Количество экстракта, кг | 3733,14 |
| В сборнике для осадка при 75 °С, гл | 8,5 | ||
| В пересчете на 20 °С, гл | 8,30 | ||
| Общий объем сухих веществ при содержании осадка взвесей горячего сусла 60 г/гл и хмелевой дробины 50 г/гл | 0,43 | ||
| Количество в сборнике для осадка взвесей горячего сусла нетто, гл | 7,87 | ||
| Экстракт, % масс. | 9.2 | ||
| Экстракт, % масс./об. | 9,54 | ||
| Количество экстракта, кг | 75,0 | ||
| Всего | 3808,1 | ||
| Выход экстракта с горячим суслом, % | 76,10 | Выход экстракта с холодным суслом, % | 76,16 |
Для обычных производственных условий достаточно определить количество холодного сусла, экстракт холодного сусла, количество мутного сусла плюс экстракт отстойного сусла. Если взвеси хмеля возвращают, например, к первому доливу, то при определении можно пренебречь количеством взвесей и содержанием в них экстракта, так как эти взвеси переходят из варки в варку.
Такой контроль, включая понимание влияния отдельных факторов, важен для своевременного принятия мер в случае снижения выхода экстракта в варочном цехе.
Технология брожения
Под брожением в целом понимают такие процессы обмена веществ микроорганизмов, которые вызывают расщепление безазотистых органических веществ. При обычной температуре они протекают медленно и в большинстве случаев характеризуются выделением тепла и газообразованием.
Для обозначения различных способов брожения используют или основной продукт, получаемый в результате брожения, или бродильный субстрат, или возбудитель брожения. В пивоварении особое значение имеет спиртовое брожение, при котором сахара сбраживаются ферментами дрожжей до этилового спирта и углекислоты с выделением теплоты.
Пивные дрожжи
Дрожжи - это одноклеточные простейшие, обладающие рядом свойств клеток более высокоорганизованных организмов. Будучи эукариотами, они обладают настоящим клеточным ядром и цитоплазматическими органеллами, в частности митохондриями. Таксонометрически дрожжи относят к отделу грибов. По виду размножения дрожжи делятся на две большие группы в зависимости от возможности образования спор - спорообразующие и неспорообразующие. Пивные дрожжи относятся к спорообразующей группе дрожжей, в которой различают две большие подгруппы культурных пивоваренных дрожжей, принципиально отличающихся своим поведением: дрожжи верхового брожения (Saccharomyces cercvisiae) и дрожжи низового брожения (Saccharomyces carlsbergensis).
Дрожжи верхового брожения в зависимости от конкретного штамма сбраживаются при температуре 15-25 °С, образуя почечные сообщества; во время интенсивного брожения они поднимаются наверх, образуя шапку пены (деку) молодого пива. Они способны дополнительно образовывать споры и сбраживают трисахарид рафинозу лишь на одну треть.
У дрожжей низового брожения способность к образованию спор менее выражена, они не образуют почечных сообществ и к концу брожения, протекающего при температуре 5-10 0C, оседают на дно.
В систематической классификации дрожжей рода сахаромицет, разработанной в 1970 г., S. carlsbergensis больше не считаются отдельным видом, а отнесены к S. uvarum, что, учитывая ряд факторов, в частности, образование ими отдельных ферментов, многими, в том числе и нами, представляется неоправданным.
Наряду с культурными пивоваренными дрожжами существуют многочисленные «дикие дрожжи», часть которых относится к виду S. cerevisiae. Они вызывают помутнение пива и изменение его вкуса. У пивных дрожжей низового брожения существует большое количество штаммов, характеризующихся различной способностью к сбраживанию и способных влиять на состав пива. Для культивирования дрожжей с соответствующими характеристиками требуемых продуктов брожения в чистом виде, то есть исключая другие (при известных условиях вредные) микроорганизмы, их выводят как чистые культуры по Хансену. При разведении чистой культуры дрожжей используют несколько отдельных дрожжевых клеток, которые размножаются изолированно в стерильных лабораторных условиях. Большое значение имеет способность дрожжей к хлопьеобразованию, обусловленная генетически и позволяющая провести разделение на хлопьевидные и пылевидные дрожжи. Хлопьевидные дрожжи перед окончанием брожения агломерируют и оседают быстро и плотно, тогда как пылевидные дрожжи долго остаются во взвешенном состоянии и быстрее сбраживают субстрат, чем хлопьевидные дрожжи. Границы между этими типами дрожжей довольно размыты - так, путем изменения бродильного субстрата можно обусловить «запыление» хлопьевидных дрожжей (изменение пылевидных дрожжей в хлопьевидные наблюдается довольно редко).
Морфология дрожжей
3.1.1.1. Дрожжи представляют собой одноклеточные микроорганизмы округлой или овальной формы длиной 5-12 мкм и шириной 5-10 мкм. Площадь поверхности одной клетки составляет в среднем около 150 мкм2. При обычном внесении дрожжей в количестве 0,5 л дрожжей/гл число клеток составляет 1,5 млрд, что соответствует площади 225 м2, а в результате четырехкратного размножения активная поверхность клеток составляет 900 м2/гл.
3.1.1.2. Клеточная стенка у дрожжевой клетки составляет примерно около 20 % ее массы. Образована эта стенка несколькими слоями, состоящими главным образом из β-1,3-глюкана, β-1,6-глюка-на, α-маннана (с α-1,6-связями, а также α-1,2- и α-1,3- боковыми ответвлениями), а также из липидов, белковых веществ, неорганических соединений (обычно фосфатов), а также гексозоаминов. Соотношение β-глюканов к маннану варьирует в зависимости от штамма дрожжей и зависит от условий их размножения.
Поверхность клеточной мембраны покрыта слизистой оболочкой, которая преимущественно состоит из маннана. Состав клеточной мембраны в процессе брожения изменяется (у хлопьевидных дрожжей доля мембран выше, чем у пылевидных).
3.1.1.3. Протоплазма клетки состоит из ядра и собственно протоплазмы (цитоплазмы). Ядро составлено из базовой плазмы и нескольких хромосом, содержащих гены (носители наследственных признаков). Протоплазма клетки также состоит из базовой плазмы, в которую «встроены» мембранная система эндоплазматической сети, а также такие структурные частицы, как, например, митохондрии, рибосомы и лизосомы. Митохондрии состоят из липопротеидов и содержат рибонуклеиновую кислоту (РНК) и большое количество витаминов. Они являются носителями ряда ферментов, необходимых для обмена веществ в процессе дыхания клетки. Лизосомы содержат ферменты, отвечающие за синтез протеинов, а рибосомы богаты РНК. Цитоплазма преимущественно содержит белковые вещества, изменяющееся количество резервного углевода (гликогена), а также жиры. В стареющих дрожжевых клетках изначально небольшие вакуоли (пространства, заполненные внутриклеточной жидкостью) увеличиваются в размере и постепенно вытесняют плазму.
Химический состав дрожжей
Прессованные дрожжи содержат 65-85 % воды, 60 % которой связано внутриклеточно, а 10-30 % - в виде гидратационной воды. В пересчете на сухое вещество получается следующий состав: азотсодержащие соединения - 38-60 %, углеводы - 15-37%, жиры - 2-12%, 6-12 % минеральных веществ, а также следы витаминов.
3.1.2.1. Азотсодержащие вещества примерно на 90 % состоят из белков, необходимых для построения новых клеток - альбумина, фосфорглобулина и нуклео-протеина. Остальные 10 % - это свободные аминокислоты, нуклеиновые кислоты и их производные.
3.1.2.2. Углеводы присутствуют в мембране в виде глюканов (8 %) и маннана (2,5-10 % как гумми-вещества дрожжей), а также в плазме в форме гликогена. Последний используется главным образом как резервный углевод. Его содержание (3-15 %) растет при обильном поступлении питательных веществ, а при их дефиците он потребляется дрожжами. В небольшом количестве присутствует также трегалоза - дисахарид, состоящий из двух остатков глюкозы.
3.1.2.3. Содержание жиров в дрожжах зависит от возраста дрожжей и условий их размножения. В молодых клетках оно невелико и может повыситься в особых условиях разведения с 2 - 5 до 40 %. Липиды дрожжей содержат наряду со средне- и высокомолекулярными (насыщенными и ненасыщенными) жирными кислотами ацилглицириды, фосфолипиды, стерины (эргостерины) и т. п.
3.1.2.4. В пересчете на 100 г CB содержание минеральных веществ составляет: 2000 мг фосфатов, 2400 мг калия, 20 мг кальция, 200 мг натрия, 2 мг магния, 7 мг цинка (минимальное количество - 3,5 мг) а также следов железа, марганца и меди.
3.1.2.5. Витамины встречаются в дрожжах в следующих количествах (на 100 г CB): тиамин (B1) - 6-20 мг, витамины В2-комплекса - рибофлавин (2-8 мг), никотиновая кислота (30-100 мг), фо-лиевая кислота (2-10 мг), пантотеновая кислота (2-20 мг), а также пиридоксин (B6) в количестве 3-10 мг, биотин (витамин Н) - 0,1-1 мг и витаминоподобные вещества - инозит и холин (200-500 мг).
Ферменты дрожжей
Дрожжи богаты ферментами, содержащимися в клеточных стенках, цитоплазме, вакуоле и ядре клетки. Они способствуют усвоению питательных веществ, их превращению и, соответственно, росту и размножению клеток. В дрожжах различают 6 групп ферментов - гидролазы, трансферазы, оксидоредуктазы, лиазы, изомеразы и лигазы, в частности синтетазы или синтазы. В 1961 г. Международной комиссией были введены правила по номенклатуре и классификации ферментов. Так, например, в наименовании фермента сначала следует обозначение субстрата, затем молекулы-акцептора, а потом - типа реакции. Так как в этом случае наименования получаются очень длинными и неудобными, в рамках данной книги мы будем использовать тривиальные названия ферментов.
3.1.3.1. Гидролазы вызывают гидролитическое расщепление веществ, причем соединения гликозида, сложного эфира и пептида расщепляются в результате присоединения радикалов воды. Гидролазы состоят чаще всего из одного протеина, причем область реакции зависит от функциональных групп различных аминокислот (см. раздел 1.1.2.9). В клетке дрожжей представлены карбогидразы (например, мальтаза, сахараза, инвертаза и мелибиаза (а-галактозидаза)), а также эстеразы, включающие некоторое количество фосфатаз и небольшое число липаз. Содержание пептидаз в живой клетке очень незначительно - наряду с эндопептидазой присутствуют несколько экзопептидаз и амилаз.
Перечисленные ниже ферменты состоят из протеинов и так называемых простетических групп или коферментов.
3.1.3.2. Трансферазы переносят группы атомов (фосфорил-, амино-, гликозил-группы и т. д.) от одной молекулы (донора) к другой молекуле (акцептору). Транс-фосфорилазы способствуют переносу остатков фосфата и осуществляют тем самым важную функцию в промежуточном обмене веществ. Кроме того, дрожжи содержат гексокиназу, фосфоглицерат-и пируваткиназу. Все эти ферменты участвуют в спиртовом брожении. Также присутствуют ферменты, катализирующие перенос остатков фосфата на рнбозу, аденозан, холин и т.д. Транс - гликозидазы участвуют в синтезе гликогена, а транс-аминазы переносят аминогруппы.
3.1.3.3. Оксидоредуктазы переносят водород или электроны от одного субстрата к другому. Следует различать дегидрогеназы, которые могут действовать как аэробные (атом водорода, отщепленный от субстрата, переносится на кислород) или анаэробные ферменты (атом водорода переносится на другую молекулу, не на кислород). Оксидазы переносят атомы водорода на молекулярный кислород, а оксигеназы катализируют встраивание молекулы кислорода в субстрат. К первой группе относятся пероксидазы и каталазы.
3.1.3.4. Лиазы разрывают одну химическую связь (например, С - С - ) без присоединения воды. Их подразделяют на декарбоксилазы (кетокислотные и аминокислотные декарбоксилазы) и дегидратазы (энолазу, фумаразу). К первой группе относится пируват-декарбоксилаза, обычно обозначаемая как «карбоксилаза». Она вызывает отщепление карбоксильной группы (декарбоксилирование) пировиноградной кислоты до ацетальдегида с образованием CO2.
3.13.5. Изомеразы катализируют внутримолекулярную перегруппировку атомов в молекуле с возможной внутримолекулярной окислительно-восстановительной реакцией (например, превращение глюкозы во фруктозу). В случае внутримолекулярной перегруппировки фосфорильная группа переносится с первого на шестой атом углерода молекулы глюкозы. Таким образом, следует различать фосфогексозоизомеразы и фосфомутазы.
3.1.3.6. Лигазы (называмые также синте-тазами и синтазами) позволяют осуществлять соединение двух молекул, причем для такого соединения необходима энергия. К ним относятся все ферменты, способные синтезировать связи C-N-, C-S-, C - O - и С-С-.
Размножение дрожжей
Обычно дрожжи размножаются почкованием, редко путем спорообразования. При почковании клетка образует на поверхности почку, которая на поздней стадии роста разделяется на материнскую и дочернюю клетки. После почкования каждый раз остается почечный рубец - его можно наблюдать под электронным микроскопом. По количеству рубцов можно сделать вывод о возрасте отдельной клетки, но не о возрасте популяции дрожжей - распределение по степени роста (50 % клеток без рубцов, 25 % - с одним рубцом, 12,5 % - с двумя, 6,25 % - с тремя рубцами и т. д.) всегда остается постоянным.
Размножение дрожжевой клетки предполагает наличие соответствующей питательной среды (состава сусла). При размножении дрожжей различают следующие стадии:
· латентная фаза, продолжающаяся несколько часов, в которой размножения еще не происходит; этот период тем продолжительнее, чем более ослаблены дрожжи;
· экспоненциальная (логарифмическая, лог-фаза), при которой происходит логарифмическое размножение дрожжей; брожение начинается;
· фаза замедления размножения, при которой под воздействием продуктов метаболизма размножение постепенно замедляется, но брожение еще продолжается.
Продолжительность генерации - это время, необходимое для удвоения числа клеток. В период интенсивного роста она составляет в зависимости от различных факторов 6-9 ч.
Оптимальный диапазон температур для размножения дрожжей находится в пределах 25-30 °С; при температурах выше 40 °С размножение прекращается, а жизнедеятельность дрожжей подавляется. Более низкие температуры замедляют их размножение, но не подавляют жизнедеятельность дрожжей.
В случае наличия Н2-акцепторов (например, ненасыщенных жирных кислот) наличие кислорода для размножения дрожжей не обязательно; в противном случае размножение постепенно прекращается при израсходовании запаса пуриновых и пиримидиновых оснований. Тем не менее кислород может ускорять размножение, a CO2 оказывает тормозящее действие.
Содержание спирта в концентрации более 6 % оказывает на размножение дрожжей отрицательное действие, однако дрожжи способны адаптироваться к повышенной концентрации спирта. Кроме того, тормозят размножение дрожжей следующие факторы: наличие высших спиртов, нитриты как продукты восстановления нитратов (начиная с содержания 40 мг/л пивоваренной воды), а также большое количество тяжелых металлов. Подавлять жизнедеятельность дрожжей могут дезинфицирующие средства, хотя некоторые из них тормозят лишь размножение, но не собственно процесс брожения, причем к определенным дезинфицирующим средствам дрожжи способны адаптироваться.
Генетика дрожжей
Носителями наследственных факторов дрожжей являются хромосомы, находящиеся в ядре клетки. У пивоваренных дрожжей имеется обычно не менее пары хромосомных наборов по 2-4 хромосомы. Дрожжи бывают диплоидными или полиплоидными. При вегетативном размножении хромосомный набор делится и вновь дополняется до двух ядер. Дочерняя клетка также является ди- или полиплоидной и обладает наследственной предрасположенностью материнской клетки. В случае размножения дрожжей спорами происходит редукционное деление, и дрожжи становятся гаплоидными. Лишь когда споры путем попарной копуляции соединяются в зиготу с двойным побором хромосом, у клетки, размножающейся вегетативным путем, снова наступает диплоидная фаза. Споры, развивающиеся сами по себе, без образования зигот, образуют гаплоидные клетки. Путем скрещивания хромосом разных материнских клеток можно культивировать дрожжи с различной наследственной предрасположенностью.