Микроорганизмы в производстве пива

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство аграрной политики и продовольствия Украины

Харьковская государственная зооветеринарная академия

Кафедра биотехнологии им. акад. Ф. И. Осташко

Курсовая работа

на тему: Микроорганизмы в производстве пива

по дисциплине: «Общая микробиология и вирусология»

Выполнила: Петренко Е. Ю.

Поверил: Ф.И. Осташко

Харьков - 2013

Оглавление

Введение

Раздел 1. Характеристика пивных дрожжей

1.1 Морфология дрожжей Saccharomycetaceae

1.2 Систематика дрожжей Saccharomycetaceae

Раздел 2. Спиртовое брожение

2.1 Общая характеристика спиртового брожения

2.2 Этапы брожения

2.3 Практическое значение спиртового брожения

Раздел 3. Технология приготовления пива

3.1 Последовательность приготовления пива

3.1.1 Подготовка солода

3.1.2 Приготовление пивного сусла

3.1.3 Сбраживание пивного сусла, фильтрация и разлив

3.2 Аппараты используемые, при производстве пива

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Пиво представляет собой игристый, освежающий напиток с характерным хмелевым ароматом и приятным горьковатым вкусом, насыщенный углекислым газом (диоксидом углерода), образовавшемся в процессе брожения. Оно не только утоляет жажду, но и повышает общий тонус организма человека, способствует улучшению обмена веществ.

Пивоварение является одним из древних производств. Предполагается, что еще за 7 тыс. до н.э. в Вавилоне варили пиво из ячменного солода и пшеницы. Затем способ приготовления пива распространился среди народов населявших Кавказ и юг Европы, а позже по всей Европе.

При приготовлении пива протекает многие физико-химические, биохимические и другие процессы, обуславливающие вкусовые показатели готового продукта. Управление этими процессами и получение напитка высокого качества требует от рабочих знания технологии и оборудования, передовых приемов работы, высокой ответственности за порученное дело. Питательная ценность пива обусловлена тем, что он производится из зернового сырья, из которого в сусло переходят растворимые вещества: углеводы, витамины, пищевые волокна, минеральные компоненты. Углеводы сусла сбраживаются дрожжами, в процессе жизнедеятельности которых накапливаются биологически активные соединения: аминокислоты, витамины.

Роль биотехнологов в пивоварении заключается в том, что они помогают создать такие штаммы дрожжей, которые помогут создавать пиво с желаемыми свойствами. Эти дрожжи будут синтезировать в большом количестве целевой продукт, и в малых дозах побочные продукты.

Раздел 1. Характеристика пивных дрожжей

1.1 Морфология дрожжей Saccharomycetaceae

Дрожжи - это скопление одноклеточных микроскопических дрожжевых клеток. Они представляют собой ценный материал в пивном производстве.

Величина дрожжевых клеток зависит от расы, физиологического состояния дрожжей и состава питательной среды. Прессованные дрожжи содержат около 30% сухих веществ и 70% воды. В сухих веществах дрожжей содержится 90-95% органических веществ и 5-10% неорганических веществ. Среди органических веществ имеются белки и азотсодержащие вещества-54-56%, углеводы-24-40%, жиры-2-4% (к массе сухих веществ). основная часть углеводов представлена гликогеном( запасное вещество), сходным по химическому строению с амилопектином крахмала. Среди неорганических веществ около половины фосфорной кислоты и 1/3 калия.

В золе дрожжей содержится (в %): Р₂О₅ - 47-53, К₂О - 28-40; СаО - 0,4 -11,3; МgО - 3,0 - 7,4; SiO₂ - 0,28 - 0,73; SiO₃ - 0,09 - 0,74; Сl -0,1-0,65. Кроме того, в небольшом количестве имеются S, Zn, Mn, Cu, Fe.

Фосфорные соединения имеют важное значение в обмене веществ дрожжевых клеток, так как входят в состав промежуточных веществ спиртового брожения, а калий играет первостепенную роль в осморегуляции клетки. Дрожжи богаты витаминами группы В, содержат эргостерин (провитамин D) и др. В дрожжах содержатся различные ферментные системы, участвующие в процессах гидролиза и синтеза, а также в процессах брожения и дыхания.

Дрожжи имеют разнообразную форму: круглую, эллиптическую, овальную, реже лимоннообразную и цилиндрическую, иногда сильно вытянутую в виде гиф. Форма и структура клеток непостоянна, она может изменяться в связи с изменением условий культивирования. Таллом дрожжей в наиболее простой форме представляет одну клетку. Эта клетка имеет все основные структуры, характерные для грибов. Иногда клетки могут объединяться в различные более или менее прочные структуры в виде ложного или настоящего мицелия. Дрожжевая клетка состоит из клеточной мембраны, цитоплазмы, внутри которой расположены органоиды (ядро, митохондрии, рибосомы, вакуоль, аппарат Гольджи) и включения (запасные вещества) в виде капелек жира, зерен гликогена и волютииа (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема поперечного разреза дрожжевой клетки:

1 -- цитоплазматическая мембрана; 2 -- цитоплазма; 3 -- аппарат Гольджи; 4 -- эндоплазматическая сеть; 5 -- жировые капельки; 6 -- митохондрия; 7 -- ядро; 8 -- рубец, где отпочковалась клетка; 9 -- ядрышко; 10 -- гранулы волютина (метахроматина); 11 -- рибосомы; 12 -- вакуоль; 13 -- клеточная оболочка.

Молодые клетки имеют гомогенную цитоплазму, иногда небольшую вакуоль. С возрастом клетки появляется зернистость, вакуоль увеличивается. Размер клеток варьирует от 5 до 7 мкм в диаметре и от 8 до 12 мкм в длину. При таких небольших размерах клеток поверхность их в 1л бродящего виноградного сусла может достигать 10 м². Такая большая поверхность определяет активный обмен дрожжей с окружающей средой. С наступлением неблагоприятных условий возникают более устойчивые покоящиеся клетки -- аскоспоры и сумки со спорами. Аскоспоры сохраняют форму вегетативных клеток, но отличаются от них более плотной плазмой, наличием гликогена, капель жира и утолщенными оболочками. Сумки со спорами обычно повторяют форму и размер вегетативных клеток. Форма и размер спор у различного рода спорогенных дрожжей отличаются. Существует 2 вида размножения дрожжей -- вегетативное (бесполое) и половое с образованием спор. У большинства видов дрожжей вегетативное размножение осуществляется почкованием, редко делением.

Рис.1.2. Способы вегетативного размножения дрожжей.

Половое размножение происходит при неблагоприятных условиях, когда дрожжи перестают почковаться и превращаются в сумки (аски) со спорами -- аскоспорами. Половой процесс заключается в копуляции (слиянии) 2 вегетативных клеток путем сближения их и образования копуляционного канала, в котором происходит слияние частей плазмы и ядра клеток, называемое кариогамией, с образованием диплоидной зиготы, представляющей 2 клетки, соединенные копуляционным каналом. Редукционное деление, или мейоз, сопровождаемое уменьшением числа хромосом вдвое, происходит сразу после полового процесса, и зигота превращается в аск с 4 гаплоидными спорами. Споры прорастают без копуляции. Так происходит размножение у дрожжей Zygosaccharomyces. У дрожжей Saccharomyces половой процесс происходит при слиянии спор или проросших из них клеток с образованием диплоидной зиготы, которая сразу начинает почковаться, образуя диплоидное потомство. Мейоз происходит непосредственно перед образованием спор.

Рис. 1.3. Половое размножение и цикл развития дрожжей:

а -- аскоспоры; б -- оплодотворение; в -- хромосомная редукция; г -- диплоидные клетки, преобразующиеся в аски и образующие аскоспоры в количествах, изменяющихся в зависимости от вида. Гаплоидная генерация изображена пустыми фигурами, диплоидная -- заштрихована. А -- Saccharomyces; Б -- Zygosacharomyces; В -- Saccharomycodes

Рост дрожжей складывается из 2 различных процессов: возрастания числа клеток и увеличения их биомассы, что вызывает изменение морфологических и физиологических свойств клеток дрожжей -- их развитие. В процессе развития в жидкой питательной среде дрожжи проходят 4 основных фазы роста. Кривая роста описывает логарифмическую зависимость числа клеток от времени и позволяет различить несколько фаз роста, сменяющих друг друга в определенной последовательности. Лаг-фаза характеризуется интенсивной метаболической активностью, хотя количество дрожжей не увеличивается или увеличивается незначительно. Она включает латентный (скрытый) этап, когда дрожжи адаптируются к новым условиям среды путем синтеза РНК и ферментов и подготавливаются к быстрому росту, который должен наступить за лаг-фазой. Количество РНК и белка возрастает в 8--12 раз, а содержание ДНК остается постоянным. Логарифмическая, или экспоненциальная фаза характеризуется максимальной скоростью роста, увеличением числа клеток в геометрической прогрессии. Культура состоит из „стандартных клеток”. Однако вследствие истощения источников питания и накопления в среде продуктов обмена наступает стационарная фаза. Число клеток остается постоянным, число образующихся новых клеток равно приблизительно числу отмерших. В ней достигается максимальная плотность популяции. Фаза отмирания наступает с дальнейшим истощением среды и накоплением вредных продуктов обмена. Число живых клеток уменьшается, мертвых -- возрастает. Начинается процесс автолиза мертвых клеток. Продлить время логарифмической фазы можно при использовании непрерывного метода брожения, когда состав среды остается постоянным вследствие непрерывного обновления. В виноделии непрерывные методы широко используются при сбраживании виноградного сусла, в производстве шампанского и хереса. Скорость роста выражается абсолютными и относительными показателями: абсолютный (валовой) прирост биомассы, удельная скорость роста, время генерации и др. Важным показателем физиологического состояния культуры является экономический коэффициент -- отношение количества образовавшейся биомассы к количеству потребленного субстрата. Переход дрожжей из одной фазы в другую обусловлен изменением содержания в клетках физиологически важных соединений -- аминокислот, белка, фосфатов, нуклеиновых кислот и др. По фазам роста на определенных участках кривой можно судить о стадиях развития и физиологическом состоянии дрожжей В основе жизни микроорганизмов лежит непрерывный обмен веществ, или метаболизм, состоящий из 2 составляющих -- диссимиляции и ассимиляции. Дрожжи являются факультативными анаэробами. Процессы брожения и дыхания, аэробный и анаэробный распад углеводов играют основную роль в метаболизме дрожжевой клетки. Saccharomyces cerevisiae -- один из наиболее изученных модельных организмов, на примере которого происходит исследование клеток эукариотов, они легко выращиваются и не являются патогенными для человеческого организма. По сравнению с кишечной палочкой (Escherichia coli), клетка дрожжей содержит в несколько раз больше ДНК и имеет более сложную организацию.

1.2 Систематика дрожжей Saccharomycetaceae

В пивоваренном производстве используют только культурные дрожжи, которые относятся к семейству Saccharomycetaceae и к роду Saccharomyces. Различают дрожжи низового брожения Saccharomyces carlsbergensis и дрожжи верхового брожения - Saccharomyces cerevisiae. В производстве пива наиболее широко используют дрожжи вида Saccharomyces cerevisiae . Штаммы Saccharomyces cerevisiae используют как для верхового, так и для низового брожения. Грибы подразделяют на группы в соответствии с особенностями их размножения. Грибы, формирующие для спороношения специальную сумку (аск), называют аскомицетами. Они имеют септированный мицелий, а при бесполом размножении образуют конидии (цепочки спор, собранные в кисточки или головки). В эту группу входят виды род Saccharomyces.

Первоначально были известны дрожжи верхового брожения, так как брожение проходило только при обычной температуре (как в виноделии, хлебопечении). желая получить напитки, насыщенные углекислым газом, стали проводить брожение при низких температурах. Физиология причин разного поведения дрожжей обоих типов не установлена. Однако известно, что верховые дрожжи при размножении почкованием не отделяют тотчас же дочерние клетки, а образуют группы клеток, которые выносятся на поверхность закрепившимися на них пузырьками углекислого газа. Предполагается, что клетки верховых дрожжей несут противоположный электрический заряд, чем пузырьки углекислого газа, и поэтому взаимно притягиваются. У низовых дрожжей предполагается одинаковый заряд, так что дрожжевые клетки с пузырьками углекислого газа взаимно отталкиваются. Согласно другому объяснению прилипание группы клеток к пузырькам углекислого газа приписывается более высокой поверхностной активности верховых дрожжей.

Научная классификация Saccharomyces cerevisiae.

Домен	Eukarya
Надцарство	Opisthokonta
Царство	Fungi
Отдел	Ascomycota
Класс	Saccharomycetes
Порядок	Saccharomycetales
Семейство	Saccharomycetaceae
Род	Saccharomyces
Вид	Saccharomyces cerevisiae

Рис.1.4. Систематика Saccharomyces cerevisiae.

Раздел 2. Спиртовое брожение

2.1 Общая характеристика спиртового брожения

Спиртовым брожением называется процесс расщепления сахара микроорганизмами с образованием этилового спирта и углекислого газа.

С₆Н₁₂О₆ > 2СН₃СН₂ОН+2СО₂.

Дрожжи, как возбудители этого брожения - факультативные анаэробы. Как источник азота они используют аминокислоты, пептон, а также амонийные соли. При развитии в безкислородной среде они получают энергию за счет спиртового брожения, в аэробных условиях - частично за счет окисления питательных веществ до углекислоты и воды. Это говорит о том, что дрожжевые клетки содержат очень сложный комплекс ферментов. При широком доступе кислорода у дрожжей помимо дыхания параллельно идет и процесс брожения - настолько ферменты дрожжей специализированы в направлении брожения. Дрожжи широко распространены в природе. Они всегда встречаются на поверхности фруктов и ягод, на листьях. Спиртовое брожение широко используется в промышленности: в виноделии, пивоварении, винокурении и хлебопечении. В этих производствах употребляют культурные дрожжи, отличающиеся от диких высокой производительностью.

Процесс брожения проходит в 3м стадии:

1) Окислительная - превращение глюкозы до пировиноградной кислоты.

С₆Н₁₂О₆ > 2СН₃СОСООH

2) Далее пируват подвергается декарбоксилированию продуктом которого является ацетальдегид. Данная реакция происходит при участии пируватдекарбоксилазы.

СН₃СООН >СН₃COH + CO₂

3) После ацетальдегид восстанавливается водородом, который отщепляется от кофермента НАДН. При этом ацетальдегид восстанавливается до этанола. Собственно, цель спиртового брожения -- это окисление НАДН, чтобы он мог снова принять участие в гликолизе. Катализатором является алкогольдегидрогеназа.

СН₃COH + НАДН + Н+ - СН₃СН₂ОН + НАД

Рис.2.1. Схематические реакции спиртового брожения

В третей стадии восстановительный кофермент НАДН передает водород конечному акцептору. Характерной физиологической особенностью большинства дрожжей является их способность переключать обмен с одного типа (анаэробный) на другой (аэробный). Недостаточность выделяющейся при брожении энергии дрожжи возмещают переработкой большого количества сахара, чем при дыхании. Наряду с главными продуктами брожения в небольшом количестве образуются и побочные продукты: глицерин, уксусный альдегид, сивушные масла. Высшие спирты участвуют в формировании аромата и вкуса напитков спиртового брожения. Дрожжи способны сбраживать помимо глюкозы и пировиноградную кислоту. В качестве промежуточного продукта при сбраживании пирувата образуется ацетальдегид; если к дрожжам сбраживающим глюкозу добавить бисульфит, то появится новый продукт - глицерин, снизится выход этилового спирта. Химизм спиртового брожении зависит от характера субстрата, концентрации в нем сахара, реакции среды (pH), вида и расы дрожжей, окружающей температуры. Наибольший выход спирта отмечают в результате аппаратного брожения. В бродильной промышленности используются дрожжи верхового и низового брожения. В пивоварении применяют разновидности дрожжей, отличающихся друг от друга одной или несколькими особенностями. Их получают из одной клетки. такие культуры называют расами ( штаммами).

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(агглютинация) и быстрому осаждению клеток.

Дрожжи низового брожения не переходят в поверхностный слой пива - пену, а быстро оседают на дне бродильного аппарата.

Способность дрожжей к хлопьеобразованию имеет важное значение для технологии сбраживания пивного сусла, так как способствует ускорению осветления пива и облегчает съём дрожжей из бродильного аппарата после брожения с последующим использованием их в качестве семенных дрожжей. Низкая температура при брожении содействует хлопьеобразованию.

Реакция среды сильно влияет на свойства дрожжей. Например, в кислой среде при рН менее 3 и в щелочной при рН более 8 хлопьевидные дрожжи становятся пылевидными. Хлопьевидные дрожжи по сравнению с пылевидными имеют более крупные клетки, меньше подвержены автолизу, дают большой 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 раффинозу. Дрожжи низового брожения имеют оптимальную температуру для роста 25-27єС, минимальную 2 - 3єС, а при 60 - 65єС они отмирают. Максимальное развитие низовых дрожжей происходит при рН 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, хорошо образовывать хлопья и осветлять пиво в ходе брожения, придавать пиву чистый вкус и приятный аромат.

Бродильную активность дрожжей определяют по степени сбраживания сусла.

Дрожжи верхового брожения применяют в спиртовой промышленности и хлебопечении. Низовое брожение совершается спокойно; его используют в пивоварении; развивается оно при низкой температуре (4 - 10°) с постепенным просветлением субстрата. Дрожжи обычно оседают на дно сосуда.

2.2 Этапы брожения

Последовательность и взаимосвязь отдельных реакций, протекающих на промежуточных этапах брожения, схематически представлена ниже .

1. Фосфорилирование D-глюкозы за счет АТФ с образованием глюкозо-6-фосфата. Эта первая реакция гликолиза катализируется тексокиназой. В клетке количество свободной D-глюкозы сравнительно не велико; большая ее часть находится в фосфорилированной форме:

АТФ + D-глюкоза > АДФ + D-глюкозо-6-фосфат.

2. Превращение D-глюкозо-6-фосфата во фруктозо-6-фосфат в результате реакции изомеризации, катализируемой фосфогексозоизомеразой:

D-глюкозо-6-фосфат > D-фруктозо-6-фосфат.

3. Фосфорилирование D-фурктозо-6-фосфата путем присоединения

еще одного остатка фосфорной кислоты с образованием фруктозо-1,6-дифосфата. В этой второй „пусковой" реакции используется еще одна молекула АТФ при участии фермента фосфофруктокиназы. Доказано, что суммарная скорость гликолиза лимитируется именно этой реакцией, катализируемой фосфофруктокиназой:

АТФ + D-фруктозо-6-фосфат > АДФ + фруктозо-1, 6-дифосфат.

4. Расщепление фруктозо-1, 6-дифосфата на 2 фосфотриозы: глицеральдегид-3-фосфат и диоксиацетонфосфат. Реакция катализируется альдолазой:

фруктозо-1, 6-дифосфат > диоксиацетонфосфат + D-глицеральдегид-3-фосфат.

5. В последующие реакции гликолиза может непосредственно включаться только одна из двух образующихся фосфотриоз, а именно глицеральдегид-3-фосфат. Однако и диоксиацетонфосфат благодаря присутствию в клетке специфического фермента триозофосфатизомеразы полностью преобразуется в глицеральдегид-3-фосфат. В результате этой реакции обеспечивается полное использование глюкозы в энергетическом обмене клетки:

диоксиацетонфосфат > D-глицеральдегид-3-фосфат.

6. Окисление глицеральдегид-3-фосфата до 1,3-дифосфоглицерата. Реакция катализируется специфической дегидрогеназой триозофосфата (глицеральдегид-3-фосфат-дегидрогеназой) и называется реакцией гликолитического окисления-восстановления. Окисление глицеральдегид-3-фосфата, катализируемого дегидрогеназой, является единственный окислительным этапом на всем протяжении гликолиза. Однако кислород в этой реакции не участвует. Требуется лишь присутствие окислителя НАД ⁺ , который при этом восстанавливается до НАД * Н

D-глицеральдегид-3-фосфат + НАД⁺ + Фн > 1,3-дифосфоглицерат +НАДН

7. Перенос фосфатной группы от 1,3-дифосфоглицерата на АДФ. Под действием двух ферментов (глицеральдегид-3-фосфат-дегидрогеназы и фосфоглицераткиназы) энергия, высвобождающаяся при окислении альдегидной группы до карбоксильной, запасается в форме энергии фосфатных связей АТФ.

8. Превращение 3-фосфоглицерата в 2-фосфоглицерат катализируется фосфоглицеромутазой:

3-фосфоглицерат > 2-фосфоглицерат.

9. Дегидратация 2-фосфоглицерата с образованием фосфоенолпирувата катализируется енолазой:

2-фосфоглицерат > фосфоенолпируват + Н₂0.

10. Перенос фосфатной группы от фосфоенолпирувата на АДФ с образованием пирувата и АТФ катализируется пируваткиназой.

фосфоенолпируват + АДФ > пируват + АТФ.

Образование пировиноградной кислоты -- поворотный этап анаэробного расщепления сахара, являющийся общим для дыхания, гликолиза и брожения всех видов. Основное значение гликолиза состоит в перестройке структуры молекулы глюкозы в высокоактивный и лабильный в химическом отношении пируват, что облегчает биохимическое превращение исходного субстрата на последующих этапах окислительно-восстановительных процессов.

11. Если кислород отсутствует, то дальнейшие превращения пировиноградной кислоты происходят анаэробным путем, в процессе брожения. При брожении последний этап гликолиза, катализируемого лактатдегидрогеназой, заменен двумя другими ферментативными реакциями, при участии соответственно пируват-декарбоксилазы и алкогольдегидрогеназы. В результате этих реакций образуется этиловый спирт -- конечный продукт спиртового брожения.

А. Пируват > Ацетальдегид + СO₂ (необратимая реакция).

Суммарное уравнение спиртового брожения:

С₆Н₁₂0₆ + 2Фн + 2АДФ > 2С₂Н₅ОН + 2СO₂ + 2АТФ.

При введении специфических ингибиторов формы брожения спиртового изменяются.

2.3 Практическое значение спиртового брожения

Спиртовое брожение, осуществляемое дрожжами , интересно тем, что на нем впервые были сделаны открытия, имеющие принципиальное значение. Именно при изучении спиртового брожения Л.Пастер доказал, что оно является процессом, связанным с жизнедеятельностью определенных микроорганизмов - дрожжей.

Л.Пастер открыл, что в условиях свободного доступа кислорода воздуха процесс спиртового брожения ингибируется и активируется дыхание. Это явление получило название "эффекта Пастера". Эффект Пастера есть результат определенного взаимодействия между различными энергетическими путями, существующими у дрожжей. Одним из проявлений такого взаимодействия является конкуренция за АДФ и неорганический фосфат между процессами субстратного фосфорилирования гликолитического пути и окислительного фосфорилирования в дыхательной цепи. Спиртовое брожение лежит в основе получения различных спиртов, в том числе этилового, а также вин и пива.

Сырьем для производства этилового спирта с использованием дрожжей, осуществляющих спиртовое брожение, служат углеводы растительного происхождения (картофеля, злаков), отходы пищевой и целлюлозно-бумажной промышленности, различные сельскохозяйственные отходы, а также продукты гидролиза древесины. Сбраживание дрожжами виноградного сока лежит в основе виноделия, сбраживание пивного сусла, приготовленного из проросших семян ячменя, специальными пивными дрожжами -- в основе пивоварения. Биологический смысл спиртового брожения заключается в том, что образуется определенное количество энергии, которая запасается в форме АТФ, а затем расходуется на все жизненно необходимые процессы клетки.

Раздел 3. Технология приготовления пива

3.1 Последовательность приготовления пива

3.1.1 Подготовка солода

Приготовление пива представляет собой сложный технологический процесс, который делится на несколько этапов: подготовка солода, приготовление сусла (дробление, затирание, фильтрация, кипячение, осветление, охлаждение), брожение и розлив готового пива. Чтобы оценить всю трудоемкость процесса изготовления пива, попробуем представить каждый из этих этапов в отдельности. Солод -- продукт, получаемый при проращивании семян злаков, главным образом, ячменя.

Соложение -- начало процесса преобразования питательных веществ ячменя в форму, благоприятную для роста дрожжевых клеток и брожения. Содержащиеся в ячменном зерне углеводы нерастворимы в воде, и поэтому ячмень нуждается в дополнительной обработке. Соложение включает замачивание, проращивание ячменя, а затем сушку свежепроросшего («зеленого») солода, удаление ростков. Приготовление солода осуществляется в специальных помещениях, называемых солодовнями. Солод хранится на заводе в специальных силосах. Зерно должно иметь свежий запах, быть крупным и иметь примерно одинаковую величину, оболочка зерна не должна быть толстой и грубой. Такое зерно будет равномерно замачиваться и прорастать. Свежеубранный ячмень нельзя использовать для приготовления солода, в среднем зерно должно отлежаться и дозреть в течении 2 месяцев. Превращение ячменя (или пшеницы) в солод занимает приблизительно восемь дней и делится на четыре основных этапа:

1. Замачивание. Это этап подготовки зерна, во время которого оно набирает влагу. Содержание влаги в зерне повышается с 15 до 45 %. Теперь зерно готово к прорастанию.

Здесь используются два основных приема: замачивание погружением или замачивание окроплением. В первом случае зерно погружается в воду, попеременно с периодами слива воды и выдержке на воздухе. Во время погружения зерно вращается и насыщается кислородом с помощью подаваемого сжатого воздуха. На стадии слива воды происходит постоянная вентиляция для удаления производимого зерном газа CO2 и тепла, а также для насыщения необходимым кислородом. Чтобы увлажнить зерно при использовании метода окропления, его обильно поливают водой; воздух при этом постоянно вентилируется.

Эта операция продолжается 30-45 часов. По завершении процесса замачивания появляется зачаток и развивающиеся корешки, называемые проростками.

2. Прорастание. Зачаток, появляющийся при замачивании, на протяжении этого этапа будет развиваться, а зерно - претерпевать основные биохимические изменения. Эмбрион будет контролировать освобождение и активацию множества ферментов, которые и придадут конечному продукту - солоду - большую часть его питательной ценности.

Слой зерна, находящийся на сетчатом полу, постоянно вентилируется воздухом с контролируемой температурой и влажностью. Это позволяет зерну дышать - что на данной стадии просто необходимо. По прошествии трех-шести дней, на протяжении которых зерно постоянно переворачивается и время от времени опрыскивается (или „смачивается“), сам зачаток становится размером с зерно, а проростки выглядят вялыми. На данном этапе солод называют свежепроросшим солодом.

3. Сушка. Часто ошибочно полагают, что данный процесс - это просто просушивание зерна. Однако на самом деле, на данном этапе происходит множество преобразований; его по праву можно назвать процессом органолептического и ферментного рафинирования. Без него невозможно произвести качественный солод. Сначала под влиянием высоких температур ускоряются биохимические реакции, но со снижением влажности постепенно останавливается вся ферментная активность. Когда влажность становится достаточно низкой, температуру резко повышают. Во время этого периода подсушивания, длящегося несколько часов, устраняются молекулы, вызывающие неприятные запахи, и в то же время создаются нужные ароматические соединения. Искусство сушки, таким образом, заключается в выборе рецептуры, которая позволит управлять этими зачастую сложными реакциями (реакция Майяра, окрашивание, денатурирование ферментов, устранение лишних запахов и т.д.). За этим следует окончательное охлаждение; солод покидает печь с содержанием влаги 4-4,5 %, что позволит беспрепятственно хранить его в течение нескольких месяцев.

4. Шелушение. Это этап конечной обработки. Теперь все проростки удаляются путем пропускания зерна через виброгрохоты. Поскольку зерно очень сухое, проростки легко отделяются. Высокое содержание белка в этих „ростках“ делает их отличным ингредиентом для корма скота.

Покидая солодовенный завод, солод представляет собой сухой ломкий золотисто-желтый порошок. Перевозят солод партиями в грузовиках, на баржах, в поездах, кораблями в мешках разного размера и контейнерах. Срок хранения солода может достигать года при строгом соблюдении условий хранения и санитарных норм.

3.1.2 Приготовление пивного сусла

Пивное сусло в это -- водный раствор экстрактивных веществ растительного сырья или солода, предназначенный к сбраживанию.

Сусло приготовляют в варочном отделении завода. При варке стремятся полнее извлечь ценные вещества солода, его заменителей и хмеля. Солод и ячмень сначала очищают от загрязнений (полировка), затем измельчают. Дробленое зерно смешивают с водой, получая затор, который выдерживают при температурах, оптимальных для действия ферментов, гидролизующих белки и крахмал. Эта операция называется затиранием. После полного осахаривания крахмала затор фильтруют, отделяя от сусла нерастворившуюся часть зерна (дробину). Сусло кипятят с хмелем, затем вываренный хмель (хмелевую дробину) отделяют и горячее охмеленное сусло осветляют, охлаждают и передают на брожение.

1. Полировка зерна. Эта операция осуществляется на полировочной машине. Она состоит из наклонных сит, на которых отделяются крупные примеси, щеточного барабана и вентилятора. Против щеточного барабана расположен стальной лист с волнистой поверхностью. Зерно попадает в щель между щетками и листом и полируется. Пыль и мелкие примеси с помощью вентилятора уносятся струей воздуха в циклон. Отходы при полировке составляют 0,2--0,5% к массе солода, они используются на корм.

2. Дробление солода и ячменя. Дробление стремятся вести так, чтобы мучнистую часть зерна превратить в мелкую крупку и муку, а оболочки сохранить и использовать в качестве фильтрующего слоя. Для дробления солода применяют вальцовые дробилки. Сложные вальцовые дробилки используют на крупных заводах, где даже небольшое повышение выхода экстракта (на 0,5--1 %) компенсирует высокие затраты на их установку. Для повышения производительности варочного отделения на 25--30% предложено осуществлять дробление мокрого солода на специальных дробилках. Эти дробилки состоят из замочного аппарата, питающего вала и двухвальцовой дробилки. Полированный солод загружается в замочный аппарат, куда подается вода температурой 35--55°С. При прохождении через слой солода часть воды впитывается солодом, а остальная стекает в корпус дробилки, откуда вместе с вновь подаваемой водой насосом возвращается в аппарат. Рециркуляцию воды ведут до достижения влажности солода 30%, на что затрачивается 25--30 мин. Лишнюю замочную воду перекачивают в заторный аппарат. Затем включают дробилку. Питающий вал порциями подает солод на вальцы, при прохождении между которыми оболочки его снимаются почти без повреждения, а эндосперм тонко измельчается. С дробилки солод поступает в бункер, где смешивается с водой и затем насосом передается в заторный аппарат. Дробление длится 30 мин. Для дробления ячменя применяется мельничный вальцовый станок с рифленой поверхностью вальцов, вращающихся с разной частотой вращения. Ячмень измельчается с минимальным разрушением оболочек, и помол характеризуется следующим фракционным составом (в %): лузга 12--22, крупная крупка 20--40, мелкая крупка 25--50, мука 15--20. Для дробленого солода и зерна устанавливают бункера, объем которых выбирают из расчета 3 м³ на 1 т. .

3. Затирание зернопродуктов. Цель затирания -- перевод максимально возможного количества сухих веществ солода и несоложеных продуктов в растворимое в воде состояние путем создания благоприятных условий для действия ферментов солода. Для успешного протекания ферментативного гидролиза необходима определенная кислотность среды (рН 5,3-- 5,5). При использовании щелочной воды затор не осахаривается, резко падает выход экстракта. В этих случаях затор подкисляют молочной кислотой. Различают два способа затирания: настойный и отварочный. Настойный способ заключается в том, что затор медленно нагревают от 45--50°С до 75°С, чередуя нагрев с 45--60-минутной выдержкой при температурах 50, 60 и 70°С. Этот способ непригоден при использовании несоложеного материала, вследствие чего он почти не применяется. Отварочный способ характеризуется тем, что для повышения температуры затора отбирают в другой аппарат часть затора (отварку) для кипячения; затем отварку смешивают с некипяченой частью затора. В зависимости от количества отварок различают одно-, двух- и трехотварочный способ затирания. При выборе числа отварок исходят из качества солода и сорта пива. Солод нормального качества затирают одноотварочным способом, а солод для темных сортов пива готовят трехотварочным способом. Наиболее рациональным и универсальным является двухотварочный способ. Он применяется при затирании затора, в котором часть солода заменяется несоложеным зерном. В зависимости от количества несоложеного зерна и качества солода режим и порядок затирания несколько изменяются. При переработке солода с высокой осахаривающей способностью и замене до 15--20% солода несоложеным сырьем затирание начинают при 50--52°С, а несоложеное сырье добавляют в первую отварку. При большей доле несоложеного материала в затор добавляют примерно 1 % по массе всего затираемого материала ферментного препарата амилоризина или 0,03% амилосубтилина и подкисляют молочной кислотой до рН 5,6-- 5,3. Затирание начинают при температуре 40°С. Наиболее распространен способ затирания со стягиванием жидкой части затора, содержащей растворенные ферменты, и кипячением всей густой части. В аппарат набирают воду температурой 42--45°С (3,5--4,5 л на 1 кг затираемого сырья) и при работающей мешалке вносят солод, ячмень и ферментный препарат. После смешивания определяют рН затора и в случае необходимости добавляют молочную кислоту-- примерно 0,09% по массе за- сыпи (при воде средней жесткости). При температуре 40°С затор выдерживают 15 мин, затем медленно (на 1°С в мин) нагревают до 52°С и делают белковую паузу в 20--30 мин. Потом поднимают температуру (1°С в мин) до 63°С и выдерживают 20--30 мин. Снова нагревают затор (1°С в мин) до 70--72°С и выдерживают до полного осахаривания жидкой части затора (не менее 40 мин). Отстоявшуюся жидкую часть затора с помощью стяжной трубы спускают в другой аппарат, а гущу нагревают до кипения за 30 мин и столько же времени кипятят, после чего ее медленно (за 30 мин) перекачивают в другой аппарат, где смешивают с жидкой частью и при температуре 75--76°С в течение 15--20 мин осахаривают весь затор. Осахаренный затор перекачивают на фильтрацию. При подогреве и перекачивании затора работает мешалка. Общая длительность затирания 4,5--5 ч.

4. Фильтрация осахаренного затора. Осахаренный затор состоит из двух фаз: жидкой (сусла), содержащей растворенный экстракт, и твердой (дробины) в виде не растворившихся остатков зерна. Отделяют сусло фильтрацией, причем дробину используют в качестве фильтрующего материала. Процесс ведут в две стадии. Сначала отделяют сусло, которое называется первым суслом, а затем горячей водой вымывают из дробины оставшийся в ней экстракт. При фильтрации и промывании температура затора должна быть 75--78°С.

При понижении температуры вязкость сусла увеличивается и фильтрация замедляется, а при повышении -- инактивируется амилаза, что может привести к появлению клейстерной мути в сусле в результате клейстеризации оставшегося в дробине крахмала. Фильтрацию затора осуществляют двумя способами: с помощью фильтрационного аппарата и с помощью фильтр-пресса. Фильтрационный аппарат -- стальной цилиндр со сферической крышкой, вытяжной трубой и плоским дном. На высоте 10--12 см от дна расположено съемное сетчатое дно, составленное из отдельных сегментов. Продолжительность фильтрации около 5,5 ч. Фильтрация с использованием фильтр-пресса происходит за 3,5 ч, вследствие чего повышается производительность варочного отделения. К тому же применяется более тонкий помол солода и ячменя, и выход экстракта возрастает на 1%. Выход дробины влажностью 80-- 85% из 100 кг затираемого сырья составляет 125--130 кг. Ее удаляют из варочного отделения или с помощью насоса, или через монтежю посредством пара. При перекачке насосом дробину разводят водой в отношении 1:3 и подают в раздаточный бункер. При этом способе кормовая ценность дробины несколько снижается, так как вода и вместе с ней экстрактивные вещества затем удаляются. При удалении паром дробину не разбавляют водой, но нужен пар давлением 0,07--0,09 МПа. Расход его составляет около 2% к массе дробины.

5. Кипячение сусла с хмелем. При кипячении сусла с хмелем растворяются горькие и ароматические вещества хмеля и выпаривается избыток воды. Кроме того, инактивируются ферменты и погибают микроорганизмы, попадающие в сусло с солодом и хмелем, что обеспечивает постоянство химического состава сусла до брожения и предотвращает прокисание пива. Под влиянием высокой температуры белки выпадают в осадок в виде крупных хлопьев. Кипячение сусла начинают после окончания фильтрации затора. До этого момента температуру сусла в сусловарочном котле поддерживают около 75°С, чтобы доосахарить крахмал, вымываемый из дробины. Хмель в сусло вводят несколькими способами в зависимости от сорта пива. В слабо охмеленные темные сорта пива весь хмель задают в начале кипения. При варке более охмеленных сортов пива хмель вносят в два-три приема. Для сильно охмеленных и ароматизированных сортов пива небольшую порцию хмеля не кипятят, а задают в хмелеотделитель. Количество хмеля зависит также от типа и концентрации сусла; с повышением концентрации норма внесения хмеля увеличивается. Конец варки сусла с хмелем определяют по концентрации сусла и его осветлению. Сусло должно иметь стандартную для данного сорта пива концентрацию экстракта, быть прозрачным и содержать быстро оседающие хлопья белка. Длительность кипячения колеблется от 1,5 до 2 ч. По окончании кипячения измеряют объем горячего сусла и спускают его в хмелеотборочный аппарат. 6. Отделение хмелевой дробины. Из сусловарочного котла охмеленное сусло, содержащее вываренный хмель (хмелевую дробину), самотеком поступает в хмелеотборочный аппарат, в котором хмель задерживается на сите; прошедшее через него сусло откачивают насосом и передают в следующее отделение завода для осветления и охлаждения. После откачки всего сусла хмелевую дробину промывают горячей водой до тех пор, пока концентрация экстракта в воде не снизится до 2,5%. Промывную воду присоединяют к суслу, а дробину заливают водой и вместе с ней удаляют в специальный .

7. Осветление и охлаждение охмеленного сусла.

Полученное горячее сусло перекачивают в специальный аппарат - гидроциклон, объемом одной варки, для осветления путем осаждения мелких взвешенных частиц хмеля и белка. Принцип действия аппарата таков: струя потока пивного сусла направлена тангенциально, поэтому внутри аппарата происходит вращение сусла. Под действием гидродинамических сил взвешенные частицы собираются в виде конуса в центре днища аппарата. После оседания твердых частиц сусло становится светлым и снимается с осадка, сначала с верхних уровней гидроциклона, а затем с нижних по мере увеличения прозрачности. Процесс обработки сусла занимает 20-30 минут, затем сусло около 1 часа охлаждается до температуры, необходимой для начала брожения.

3.1.3 Сбраживание пивного сусла, фильтрация и разлив

1. Брожение. В поток охлажденного пивного сусла через специальную установку для аэрации и дозирования дрожжей сначала впрыскивается стерильный сжатый воздух, а затем дозируются пивные дрожжи. Воздух необходим дрожжам для интенсивного размножения в течение первых 12-24 часов сбраживания пивного сусла. Сусло направляется в один из цилиндро-конических танков (ЦКТ) - аппарат главного брожения. Летом для брожения этих сортов используются еще и особые чаны, и таким образом пиву придается особый и неповторимый вкус. Брожение длится примерно 7 суток -- для разных сортов пива-- при температуре от 12 до 16°С. В это время все сахара, содержащиеся в сусле, сбраживаются, образуя алкоголь, углекислоту и некоторое количество других веществ: глицерин, уксусный альдегид, уксусную, янтарную, лимонную и молочную кислоты. Все образовавшиеся в сусле продукты спиртового брожения участвуют в формировании специфического вкуса и аромата пива (букет пива). По окончании процесса брожения «молодое пиво» охлаждают. При этом осевшие дрожжи удаляются со дна ЦКТ. Это дрожжи первой генерации. Они могут быть использованы для повторного брожения. Сколько раз они будут использоваться, зависит как от качества дрожжей, так и от чистоты и аккуратности производства, поскольку они способны адсорбировать различные вещества, даже тяжелые металлы. Затем пиво, прошедшее этап брожения, направляют на следующую стадию - дображивания и созревания. Для окончательного созревания «молодое пиво» выдерживается при температуре 0°-2°С. В этот период оно насыщается углекислым газом, происходит медленное сбраживание оставшегося в нем экстракта, осветление и формирование букета и полноты вкуса. После химического анализа, подтверждающего готовность продукта и дегустации, направляем пиво на фильтрацию (осветление).

2. Фильтрация.

Поскольку соединения, вызывающие мутность пива, сложные по своему строению и представляют собой широкую гамму размеров частиц, лучшим методом их удаления считается фильтрация пива с использованием вспомогательного материала: кизельгура. Кизельгур -- осадочная порода, создающая пористую поверхность, через которую проходит пиво, а частицы веществ, влияющие на мутность остаются. В последнюю очередь пиво проходит стадию тонкой очистки, во время которой удаляются самые мелкие частицы. При необходимости пиво дополнительно насыщают углекислым газом через карбонизатор и направляют в танк хранения - форфас, из которого пиво подаётся на розлив.

3. Розлив

Из форфасов пиво поступает на линии розлива. Процесс розлива различается в зависимости от типа тары. Но в общем он включает в себя: пастеризацию пива, подготовку тары (мойку и стерилизацию), розлив в тару, наклеивание этикеток, упаковку в коробки и паллеты.

Пастеризация необходима для обеспечения более длительного срока хранения пива, чтобы избежать изменения вкуса и качества пива в результате деятельности микроорганизмов. В этом процессе происходит нагрев пива до необходимой температуры на короткий промежуток времени.

Разливается пиво в бутылки, которые прошли тщательную обработку (выбраковку тары, имеющей трещины или другие дефекты), промыты изнутри и снаружи, ополоснуты, проверены на чистоту в лаборатории. Во время розлива в тару, независимо от её типа, ее заполняют углекислым газом для эффекта противодавления. Этот эффект дает возможность пиву медленно стечь в бутылку под воздействием силы тяжести, предотвращая вспенивание, утечку углекислоты, попадание в пиво кислорода, а также способствует равномерному наполнению емкости. Затем бутылки закупоривают, на них наклеивают этикетки, оборачивают в термоупаковку, ставят на паллеты и отправляют на склад готовой продукции.

Представив всю сложность технологического процесса, понятно, почему изготовление пива сравнивается с настоящим искусством. Ведь только чуткий контроль на всех стадиях, опыт и мастерство пивовара делает напиток действительно вкусным и узнаваемым.

3.2 Аппараты, используемые в производстве пива

На каждом этапе приготовления пива используется специальное оборудование. Первый этап приготовления пива с участием специализированных аппаратов это -- дробление солода. Перед варкой солод дробится для дальнейшего смешения с водой. Дробится он за один раз для одной варки. Дробление солода производится с помощью дробилки. Использование валковых солододробилок позволяет не сминать и не превращать в пыль как это происходит в молотковых дробилках, а производить разрушение солода приблизительно на 8-12 частей, как этого требует технология производства качественного пива.

Рис.3.1. Дробилка для солода.

Второй этап приготовления пива это производство сусла. Солод после дробления смешивается с водой для получения затора (смесь солода и воды). Далее из затора в варочном цехе варится пивное сусло, и за тем охлаждается для перекачки в отделение брожения. Варка пива это сложный процесс с отделением отдельных частей затора (отварки), выдержкой пауз при строго определенной температуре и фильтрации жидкой части от дробины (остатки солода). Варочное отделение включает в себя несколько емкостей и вспомогательное оборудование и является самым сложным отделением на пивзаводе.

1) 2) 3)

4)

Рис. 3.2. Оборудование второго этапа приготовления пива:

1) Заторный аппарат; 2) Фильтрационный чан ; 3) Сусловарочный котел; 4) Гидроциклон.

Аппарат заторный служит для затирания солода с водой. Цилиндрическая ёмкость с конусным днищем, мешалкой, рубашкой для нагрева и теплоизоляцией. В верхней части предусмотрен люк для визуального контроля и обслуживания. Фильтрационный чан является наиболее распространённым аппаратом, используемым при приготовлении пивного сусла. Фильтр-чан представляет собой цилиндрическую ёмкость с перфорированным двойным дном, рубашкой для подогрева сусла и рыхлителем со специальными ножами. Предусмотрены два люка для визуального контроля, обслуживания и выгрузки дробины. Ёмкость теплоизолированная. В сусловарочном котле сусло интенсивно кипятится с добавлением хмеля. Для нагрева ёмкости котла используется пар. Предусмотрены рубашка обогрева, мешалка, люк для визуального контроля и обслуживания, теплоизоляция. В гидроциклоне с помощью вихревого движения сусла происходит отделение белковых частиц от сусла. Цилиндрическая ёмкость с теплоизоляцией и люком обслуживания. Пластинчатый теплообменник с регуляцией подачи ледяной воды охлаждает готовое сусло ледяной водой при перекачке сусла в бродильное отделение. Третий этап -- брожение и созревание пива. После варки сусло, с добавленными в него дрожжами бродит и дображивается в бродильном отделении. Срок брожения и дображивания может меняться в зависимости от рецептуры пива. На производстве наиболее широкое распространение получили горизонтальные цилиндрические танки для брожения.

Рис.3.3. Схема горизонтального цилиндрического танка.

1) кран для наполнения и спуска пива; 2) люк для осмотра; 3) кран для отбора проб; 4, 6) штуцеры; 5) предохранительный клапан; 7) штуцер для установки манометра.

Танк представляет собой герметичный цилиндрический сосуд вместимостью от 8 до 50 м3, Снабженный охлаждающим змеевиком. На нем имеется штуцер для присоединения пивных шлангов, кран для наполнения и спуска пива, люк для осмотра и мойки внутренней полости, кран для отбора проб, штуцеры и для установки шпунт - аппарата и штуцер для установки манометра, а также предохранительный клапан.Для обеспечения достаточного осветления молодого и готового пива танки для главного брожения изготавливают диаметром не более 2,4 м, а танки для дображивания -3,6 м.

Вместимость одного танка подбирают с учетом объёма сусла, получаемого от одного, двух и более заторов. Число танков в цехе определяют в зависимости от числа варок затора в сутки и продолжительности процессов главного брожения.

Одним из видов брожения и дображивания пива на заводах является отделение брожения с открытыми/закрытыми чанами и отделение дображивания. В отделении для брожения устанавливаются классические открытые чаны брожения или более современные закрытые, в отделении дображивания -- лагерные танки. Это способ для бескомпромиссных любителей классического пива. Отличается немного большими затратами на производство, однако свойства самого напитка будут на самом высоком уровне.



1) 2) 3)

Рис. 3.4. Оборудование третьего этапа:

1) емкость для открытого брожения; 2) аппарат закрытого брожения; 3) аппарат дображивания.

Ёмкость открытого брожения, используется для сбраживания пива с добавлением дрожжей. Представляет собой открытую прямоугольную ёмкость с рубашкой охлаждения. Аппарат закрытого брожения используется вместо ёмкости открытого брожения. Более современная технология позволяет снизить трудозатраты и энергопотери. Представляет собой цилиндрическую ёмкость с рубашкой охлаждения. Аппарат дображивания. После сбраживания пиво отделяют от дрожжей и оставляют в специальных ёмкостях дображивания созревать. Аппарат дображивания -- это цилиндрическая ёмкость работающая под давлением с рубашкой охлаждения и шпунтаппаратом.

...