Производство кваса

m=бx

где б - средняя масса одной клетки.

На этом основании величины x₁ и x₀ в уравнении (6) можно заменить соответственно на m₁ и m₀ (коэффициент б при этом сокращается):

(7)

Подобную замену можно произвести и в уравнении (3), характеризующем скорость размножения клеток:

(8)

Таким образом, для вычисления продолжительности генерации и скорость размножения клеток не обязательно определять их число, а можно ограничиться измерением биомассы культуры.

Увеличение биомассы культуры в среде с m₀ до m характеризуется абсолютной (валовой) и максимальной относительной (удельной) скоростью роста. Валовая (или общая) скорость роста культуры v характеризуется абсолютным приростом биомассы за единицу времени (обычно за 1 ч). В дифференциальной форме она выражается уравнением

= dm/dt (9)

где dm - прирост биомассы за бесконечно малый промежуток времени dt.

Средняя валовая скорость роста v_ср за время t₁-t₀ вычисляется по формуле

(10)

где m₀, m₁ - соответственно величины биомассы в начале и в конце указанного отрезка времени.

Удельная (или относительная) скорость роста м представляет собой часовой прирост, пересчитанный на единицу растущей биомассы:

(11)

Воспользовавшись известным дифференциальным уравнением (d (ln m)/dm)=1/m и сделав соответствующую подстановку в выражение (11), преобразуем его так:

м=d (ln m)/dt (12)

Средняя удельная скорость роста м_ср за период времени t₁-t₀ равна:

(13)

Таким образом, относительная скорость роста характеризуется увеличением натуральных логарифмов биомассы за единицу времени. Этим она отличается от валовой скорости роста, которая измеряется приростом абсолютных величин биомассы.

В экспоненциальной фазе, т.е. в период наиболее быстрого размножения микроорганизмов, максимального скорость роста (константа роста):

(14)

Интегрируя выражение (14), получаем x = x₀е^мt. При t, равном времени удвоения биомассы (t_d), x = 2x₀; следовательно, 2 x₀= x₀е^мt_d, откуда время удвоения бактериальной массы t = (ln2/ м) (ln2=0,693).

Сопоставляя уравнение (8) с уравнением средней удельной скорости (13), находим, что последняя связана с продолжительностью генерации и скоростью размножения клеток. Эти уравнения различаются только числовыми показателями. Разделив одно на другое, получим следующие отношения между скоростью роста v и максимальной скоростью роста м_мах:

; н =1,44м_мах (15)

; м_мах = 0,693н (16)

Максимальную скорость роста м_мах называют также экспоненциальной скоростью роста, так как она устанавливается в этой фазе роста. Подставив в уравнение (5) значение v из уравнений (15) и (16), получим формулы продолжительности генерации и максимальной скорости роста:

g = 1/н = 0,693/м_мах или м_мах = 0,693/g (17)

Следовательно, о максимальной скорости роста микроорганизмов можно судить по продолжительности генерации, поскольку эти величины находятся между собой в обратной зависимости.

На основании формул (15) и (16) можно сказать, что скорость размножения v только пропорциональна, но не равна максимальной скорости роста м.

Найдя время, необходимое для увеличения числа или биомассы клеток в 2 раза, можно по уравнению (16) вычислить м_мах и, наоборот, по величине м_мах, определенной по уравнению (13), рассчитать значение g по уравнению (17).

Зависимость удельной скорости роста м от концентрации питательного вещества S (г/л), ограничивающего рост культуры описывается уравнением Моно:

, (18)

где м_мах - максимально возможная скорость роста (константа роста) в данной среде;

K_s - константа насыщения, численно равная такой концентрации лимитирующего питательного вещества, при которой предельная скорость роста достигает половины максимальной (предельной) скорости роста, т.е. когда м_мах=0,5. Значение K_s обычно невелико (порядка нескольких мкг/л) как для углеводов, так и для аминокислот. Таким образом, в полноценной питательной среде K_s по сравнению с S - величина незначительная и ею можно пренебречь, тогда м=м_махS/S=м_мах.

Следовательно, в полноценной среде скорость роста культуры не зависит от концентрации лимитирующего компонента (за исключением случаев, когда концентрация слишком мала).

Удельная скорость роста лимитируется не только концентрацией субстрата. Главным фактором, определяющим удельную скорость роста культуры, могут быть продукты обмена веществ - метаболиты. При высокой концентрации клеток метаболиты накапливаются быстро и могут задерживать их рост уравнение, которое учитывает ее торможение вследствие недостатка субстрата и появляющимися продуктами обмена (уравнение Моно-Иерусалимского):

, (19)

где K_P - константа Иерусалимского, численно равная концентрации продукта - метаболита, при которой удельная скорость роста равна половине скорости роста в среде без продукта - метаболита, т.е. м=м₀/2;

Р - фактическая концентрация продукта - метаболита, г/л.

Из уравнения (19) видно, что увеличение концентрации метаболита Р снижает удельную скорость роста культуры.

В большинстве случаев трудно определить, какой продукт ингибирует рост продукта обмена. Следовательно, нужно исключить из (19) Р, принимая, что концентрация продуктов обмена пропорциональна количеству перерабатываемого субстрата [2].

3.4 Использование других видов дрожжей и сухих культур дрожжей и МКБ

Сложный процесс накопления достаточного объема смешанной (комбинированной) закваски не всегда можно организовать на небольших предприятиях по производству кваса, поэтому там для сбраживания квасного сусла часто используют прессованные хлебопекарные дрожжи Saccharomyces cerevisiae. Их проверяют на отсутствие слизеобразующих бактерий и предварительно разбраживают перед внесением в сусло. Для этого готовят квасное сусло из концентрата квасного сусла с массовой долей сухих веществ 3,0%, добавляют в него сахарный сироп до массовой доли сухих веществ 8,0%, кипятят это сусло в закрытой емкости в течение 30 мин, охлаждают до 28…30°С.

Расчетное количество прессованных дрожжей (0,15 кг на 100 дал готового кваса) смешивают с водой в соотношении 2:1. Полученную суспензию подкисляют до рН 2,7…2,9 добавлением молочной кислоты (примерно 40 см³ молочной кислоты концентрацией 40% на 1 кг прессованных дрожжей) и выдерживают в течение 3 ч для подавления посторонней бактериальной микрофлоры. Затем в подкисленную суспензию добавляют пятикратный объем приготовленного сусла с массовой долей сухих веществ 8% и проводят разбраживание в течение 2…3 ч. Дрожжи должны активно разбродиться с образованием на поверхности сусла пены, иметь чистый дрожжевой запах. После разбраживания их передают на брожение.

Исследованиями киевских ученых показано, что хорошие результаты при сбраживании квасного сусла показали винные дрожжи шампанских рас: Днепропетровская, Киевская, Штейнберг-6, пивные дрожжи среднесбраживающих рас 776 и 44, а также спиртовые дрожжи рас М-спиртовая, К-69, XII, использование которых предложено воронежскими учеными.

В то же время, дрожжи не могут считаться полноценной заменой комбинированной закваски, так как не обеспечивают необходимого накопления кислотности, хороших органолептических показателей, поэтому при использовании только дрожжей в рецептуру производства кваса обычно вводят лимонную или молочную кислоты для доведения кислотности кваса до нормы.

Ранее было рекомендовано использовать сушеные культуры квасных дрожжей и МКБ, которые готовили в лаборатории ВНИИПБП. Сушеные дрожжи имели внешний вид короткой вермишели. Их фасовали в пакеты по 100г. В лаборатории завода готовили 20 дм³ квасного сусла с массовой долей сухих веществ 8% так, как описано выше, кипятили его в течение 30 мин, охлаждали до 28…30°С. В тщательно вымытую и продезинфицированную бутыль рабочим объемом 20 дм³ вносили 100 г. сушеных дрожжей, наливали туда 5 дм³ сусла и оставляли для размножения на 18…24 ч при 26…30°С. Затем доливали в бутыль еще 15 дм³ сусла и вновь оставляли на 8…12 ч. Готовую разводку дрожжей в количестве 15 дм³ передавали в чан вместимостью 100 дм³, куда наливали 85 дм³ стерильного квасного сусла с массовой долей сухих веществ 6% и оставляли на 18…24 ч до интенсивного брожения. В бутыль с 5 дм³ разводки сушеных дрожжей доливали 15 дм³ стерильного квасного сусла с массовой долей сухих веществ 8% и оставляли на 12 ч до интенсивного забраживания. Операции по доливу разводки суслом в бутыли, включая отбор разводки и долив свежего сусла, повторяли 5…6 раз.

Из чана на 100 дм³ разводку дрожжей передавали в производство в бродильный аппарат объемом 1000 дал.

Молочнокислые бактерии (МКБ) сушили на пивной дробине, фасовали в пакеты по 100г. В лаборатории завода готовили 20 дм³ стерильного квасного сусла с массовой долей сухих веществ 8% так, как описано выше.

В тщательно вымытую и продезинфицированную бутыль рабочим объемом 20 дм³ вносили 100 г. сушеных МКБ, наливали туда 5 дм³ сусла и оставляли для размножения на 24 ч при температуре 26…30°С. Затем доливали в бутыль еще 15 дм³ сусла и вновь оставляли на 24 ч. Готовую разводку МКБ в количестве 5…6 дм³ передавали в производство в бродильный аппарат объемом 1000 дал вместе с разводкой дрожжей.

В бутыль с 5 дм³ разводки сушеных МКБ доливали 15 дм³ стерильного квасного сусла с массовой долей сухих веществ 8% и оставляли на 24 ч. Операции по доливу разводки суслом в бутыли, включая отбор разводки и долив свежего сусла, повторяли 5…6 раз.

Производство сушеных квасных дрожжей и МКБ было организовано только в небольших объемах, поэтому они не могли обеспечить потребность всех предприятий отрасли. Из-за трудоемкости процесса сушки оно было прекращено.

В настоящее время исследуется возможность применения сушеных пивных дрожжей для производства кваса.

Если завод или цех использует для производства кваса жидкие пивные дрожжи, то их расход должен составлять 1,5…2,0 дм³ на 100 дал сусла. Рекомендуется провести предварительное разбраживание дрожжей так же, как прессованных хлебопекарных дрожжей [1].

4. Напитки брожения типа кваса на основе меда

В последнее время, особенно в течение последних трех лет, производство кваса стабильно растет, вновь появился интерес производителей и потребителей к квасу и другим национальным напиткам брожения (сбитню, медовухе).

Издревле напитки на основе меда были традиционными напитками русского народа. Существовала масса рецептов производства различных как слабоалкогольных, так и крепких напитков на основе меда.

Медовые напитки брожения современного поколения разнообразны как по сырьевому составу, так и по способам производства. Как правило, для достижения глубокого выбраживания в современных условиях сбраживание медового сусла производится с помощью различных рас винных, пивных и хлебопекарных дрожжей. Разные виды дрожжей сбраживают медовое сусло с различной скоростью, формируют специфические органолептические характеристики напитка.

Основной недостаток медовых напитков брожения, медовух промышленного производства - их «тяжелый вкус», чему способствуют высокая температура брожения, недостаток аминного азота в медовом сусле, длительный цикл производства. Это приводит к накоплению побочных продуктов брожения в высоких концентрациях, что отражается на вкусовых достоинствах напитков, снижая освежающее действие и пищевую ценность. Поэтому они не стали продуктами массового потребления.

При использовании медового сусла необходимо уделять внимание особенностям протекания биохимических и микробиологических процессов, так как это сусло в отличие от зернового или плодово-ягодного неоптимально по соотношению сбраживаемых углеводов и аминного азота, содержит мало минеральных компонентов, в которых нуждаются дрожжи. Для эффективного брожения и развития дрожжей в сбраживаемой среде необходимо оптимизировать состав сусла и соблюдать рациональные условия брожения, от которых зависит качество напитка.

Целью работы, проводимой в Кемеровском институте, было исследование возможности получения слабоалкогольных напитков брожения типа кваса на основе меда с использованием дрожжей, выделенных из продукта пчеловодства - перги.

Дрожжи выделены в Кемеровском технологическом институте пищевой промышленности из четырех образцов перги, полученной из разных регионов. Показана эффективность их использования для сбраживания медового сусла с высокой начальной экстрактивностью до 20%, определены оптимальные параметры их развития. В данном исследовании одна из первых задач - оптимизация состава сусла и режимов брожения при сбраживании сусла с низкой начальной экстрактивностью.

Все исследования проводили на стерильном медовом сусле с содержанием сухих веществ 8%, которое сбраживали медовыми дрожжами при температуре 30°С до содержания сухих веществ 5,5-5,8%. В качестве источника азота использовали препарат Rhodia Zumesite, представляющий собой пищевую подкормку для дрожжей и имеющий в своем составе соли аммония и витамины. Рекомендуемое количество внесения препарата для пивных дрожжей 5-6 г./дал. При проведении эксперимента препарат вносили в количествах 4, 5, 6 и 7 г/дал.

Кроме изучения влияния концентрации азотистых веществ на процесс брожения параллельно проводили исследования по выявлению оптимальной нормы внесения дрожжей в медовое сусло. Норма внесения пивных дрожжей для производства пива 25 млн кл. /см³. Исследован процесс сбраживания медового сусла в диапазоне концентраций 20-40 млн кл./см³. В процессе сбраживания через каждые 3 ч определяли массовую долю сухих веществ, общее количество жизнеспособных дрожжевых клеток, процент мертвых и почкующихся.

Содержание мертвых клеток в процессе брожения увеличивалось незначительно и не превышало 8,5%, количество почкующихся возрастало к концу брожения. Полученные результаты позволяют отметить, что на скорость брожения медового сусла и на физиологические показатели медовых дрожжей в процессе брожения существенно влияют как норма засева дрожжевых клеток, так и количество вносимой подкормки для дрожжей. Однако при любой дозировке медовых дрожжей наблюдается одинаковая зависимость как продолжительности брожения медового сусла, так и накопление дрожжевой биомассы от содержания источника азота в сусле.

В соответствии с рисунками 3 - 5, наиболее быстрое и глубокое сбраживание сусла наблюдается при внесении Rhodia Zumesite в количестве б г/дал. При этой же дозировке практически во всех случаях к концу брожения содержание мертвых клеток минимально и составляет 6,5-8,5% от общего количества клеток. Для накопления почкующихся клеток такое количество вносимого препарата также оптимально. Так, количество почкующихся клеток к концу брожения при норме засева медовых дрожжей 40 млн кл./см³ составляет 32% от общего количества клеток, а при норме засева 30 и 20 млн кл./см³ - 45 и 42% соответственно.

Рисунок 3 - Динамика брожения медового сусла медовыми дрожжами при различном уровне азота (норма внесения дрожжей - 20 млн кл./см³)

Рисунок 4 - Динамика брожения медового сусла медовыми дрожжами при различном уровне азота (норма внесения дрожжей - 30 млн кл./см³)

Рисунок 5 - Динамика брожения медового сусла медовыми дрожжами при различном уровне азота (норма внесения дрожжей - 40 млн кл./см³)

В соответствии с рисунками 6 - 8 при слишком низкой концентрации азотистого питания (4 г/дал) наблюдается низкая бродильная активность дрожжей, количество почкующихся клеток к концу брожения составляет 20-30%, а содержание мертвых несколько выше, чем при дозировке азота 6 г /дал. При повышенной концентрации азота в сусле тормозятся процессы брожения и размножения дрожжей.

Рисунок 6 - Динамика концентрации жизнеспособных клеток с различным количеством Rhodia Zumesite (норма внесения дрожжей - 20 млн кл./см³)

Рисунок 7 - Динамика концентрации жизнеспособных клеток с различным количеством Rhodia Zumesite (норма внесения дрожжей - 30 млн кл./см³)

Рисунок 8 - Динамика концентрации жизнеспособных клеток с различным количеством Rhodia Zumesite (норма внесения дрожжей - 40 млн кл./см³)

Из представленных графиков видно, что заметное увеличение скорости роста наблюдается при начальной величине засева 20 млн кл./см³ сусла. Дальнейшее увеличение начальной концентрации дрожжевых клеток не обосновано и ведет к торможению процесса брожения.

Влияние нормы задачи дрожжей, а также количества азота в сусле на скорость размножения медовых дрожжей можно оценить, в соответствии с рисунком 9, по скорости роста дрожжевых клеток.

Рисунок 9 - Удельная скорость роста медовых дрожжей в зависимости от количества Rhodia Zumesite при различных нормах засева дрожжей

Для оценки влияния уровня азотистого питания на скорость брожения и накопление биомассы рассчитаны уравнения регрессии, описывающие зависимость содержания сухих веществ Y_l и накопление дрожжевых клеток Y₂ от Х₁ - начальной концентрации дрожжевых клеток, млн кл./см³; Х₂ - нормы внесения аммиачного азота, г/дал; Х₃ - продолжительности брожения, ч. Уравнения были рассчитаны с учетом концентрации азота 0, 4, 5, 6 и 7 г/дал.

Полученные уравнения имеют вид:

Y_l = 8,0277 + 0,0012 Х₁ + 0,0018 Х₂ - 0,011 Х₃ + 0,0003 Х₁ Х₂ - 0,0005 Х₁ Х₃ - 0,0007 Х₂ Х₃ - 0,0001 Х₁ Х₂ Х₃ (20)

Y₂ = - 0,0084 + 0,9855 Х₁ + 0,2086 Х₂ + 0,0033 Х₃ - 0,0013 Х₁ Х₂ + 0,0058 Х₁ Х₃ + 0,0828 Х₂ Х₃ + 0,0005 Х₁ Х₂ Х₃ (21)

Обобщая результаты исследования, можно заключить, что внесение Rhodia Zumesite в количестве 6 г/дал, а также первоначальный засев дрожжей 20 млн кл./см³ являются рациональными параметрами для более быстрого сбраживания квасного сусла и обеспечивают необходимый прирост дрожжевой биомассы.

Учитывая все результаты проведенных исследований, был приготовлен напиток. Медовое сусло с начальной концентрацией сухих веществ 8% кипятили в течение 1-3 мин. Препарат Rhodia Zumesite вносили в сусло непосредственно перед его кипячением, поскольку внесение добавки для дрожжей перед процессом брожения приводило к закисанию сусла. Дрожжи задавали из расчета 20 млн кл. /см³, а подкормку - б г/дал. Брожение проводили при 30°С до содержания сухих веществ в среде 5,5-5,8%. Физико-химические показатели медового сусла следующие: массовая доля сухих веществ 8%; кислотность 0,2 см³ раствора NaOH концентрацией 1 моль/дм³ на 100 см³ сусла; содержание аминного азота 3,9 мг/100 см³ сусла.

После сбраживания сусла до снижения экстрактивности на 2% напиток охлаждали до температуры 0…2°С, выдерживали в течение 12 ч, затем снимали с дрожжевого осадка и анализировали по физико-химическим и органолептическим показателям. Физико-химические показатели следующие: массовая доля сухих веществ 5,6 мг/100 см³ сусла; кислотность 4,1 см³ раствора NaOH концентрацией 1 моль/дм³ на 100 см³ сусла; объемная доля этилового спирта 1,2%.

Органолептическая оценка показала, что напиток обладает приятным, гармоничным кисло-сладким вкусом с оттенком меда, достаточно насыщен углекислотой, аромат напитка - медовый, цвет - светло-желтый с блеском.

Результаты проведенного эксперимента позволяют сделать вывод о возможности применения дрожжей, выделенных из перги, для производства слабоалкогольных напитков на основе медового сусла с использованием источника азотистого питания.

При соблюдении всех вышеперечисленных параметров наблюдается максимальная скорость сбраживания медовых напитков, оптимальный прирост дрожжевой биомассы в процессе брожения. Напитки, получаемые таким образом, обладают отличными органолептическими показателями [3].

Заключение

В данной работе рассмотрено производство кваса, а именно:

- сырье, которое используется в квасоварении: основным сырьем для производства солода, концентрата квасного сусла и кислого кваса является рожь, ее используют в виде: ржаной муки; ржаного ферментированного солода; ржаного неферментированного солода;

основные стадии производства кваса, к которым относятся: подготовка сырья и полуфабрикатов; приготовление квасного сусла; брожение сусла; охлаждение и купажирование кваса; розлив кваса в емкости;

микроорганизмы, используемые для сбраживания кваса, способы приготовления закваски, скорость роста и размножения клеток.

Отдельно рассмотрена кинетика роста микроорганизмов, используемых в производстве медовухи, которая является напитком брожения типа кваса на основе меда.

Современное безалкогольное производство основано на достижениях техники и технологии, использует полуфабрикаты высокой степени готовности. Инновации в производстве безалкогольных напитков в России сосредоточены в нескольких направлениях: разработка напитков и концентратов для их производства на натуральной основе с использованием соков, настоев из растительного сырья, меда, вторичных продуктов сыроделия и молочного производства, концентратов квасного сусла, создание обогащенных и функциональных напитков, расширение ассортимента и сырьевой базы квасов брожения.

Список использованных источников

1. Помозова В.А. Производство кваса и безалкогольных напитков / В.А. Помозова. - М.: Профессия, 2006. - 192 с.

2. Мальцев П.М. Технология бродильных производств / М.П. Мальцев. - М.: Пищевая пром-сть, 1980. - 560 с.

3. Миллер Ю.Ю., Елонова Н.Н., Еремина И.А. Напитки брожения типа кваса на основе меда // Пиво и напитки. 2007. №3. С. 28-29.

Размещено на Allbest.ru