Рассмотрены возможности применения нанопористых материалов на основе углеродной матрицы древесного угля как на стадии подготовки воды для пивоварения, так и в процессе производства пива. Проведены исследования по применению древесных модифицированных углей. Приведены результаты анализов пива и воды после обработки древесными модифицированными углями.

The potential of nanoporous materials based on carbon matrix of charcoal as the preparation of water for brewing, and in the process of beer production. Is considered research on the application of modified wood coals is conducted. Results of the analysis of beer and water after treatment with modified wood coals are presented in this article.

Основное содержание исследования

Карбогидролазы (расщепляют углеводы): - б, в - амилазы - расщепляют крахмал; б-глюкозидаза, олигодекстрин-6-глюканогидролаза, эндо-в-глюканаза, экзо-в-глюканаза, эндоксиланаза, экзоксиланаза, арабинозидаза, ксилобиаза. Протеазы (протеолитические ферменты) - расщепляют белки. Фосфатазы - катализируют гидролитическое расщепление определенных фосфорных эфиров. Комплекс ферментов, обуславливающих образование спирта, такие как: гексокиназа, альдолаза, энолаза, алкогольдегидрогиназа и др.

Компоненты, содержащиеся в воде, в различной степени влияют на процесс производства пива. Так, например, соли, понижающие рН (сульфаты, хлориды Са, Мg) желательны, т.к. создают благоприятные условия для протекания биохимических процессов - проращивания и брожения, гидролиза крахмала (они протекают в слабокислой среде) и улучшают вкус готового пива и растворимость хмелевых смол. Но их присутствие в концентрациях, превышающих нормативные, отрицательно сказывается на свойствах пива. Ионы Fe²⁺, Fe³⁺ крайне не желательны. Т.к. ухудшают качество солода, снижают скорость ферментативного гидролиза крахмала, ускоряют дегенерацию дрожжей, ухудшают органолептические показатели пива.

Так, например, кальций стабилизируют б-амилазу и увеличивают ее активность, в результате чего повышается выход экстракта. Увеличивают активность протеолитических ферментов, за счет чего возрастает содержание общего и б-аминного азота в сусле. Цинк - при высоких концентрациях ингибируют активность б-амилазы. Ионы НСО₃ ^- при высоких концентрациях приводят к повышению рН, а следовательно, к снижению активности амилолитических и протеолитических ферментов. Ион SO₄^{2 -} Благоприятно влияет на гидролиз крахмала и белков.

В таблице 1 представлен химический состав воды, используемый для пивоварения, на примере Щербаковского пивзавода, в сравнении с требованиями, предъявляемыми нормативными документами. Из таблицы видно, что исходная вода характеризуется повышенным содержанием ионов кальция, магния, железа, а также силикатов, нитратов и нитритов.

Таблица 1 - Химический состав воды для пивоварения

На основании этого можно сделать вывод, о важности подготовки воды в производстве пива.

Нами разработана технология обработки воды с применением модифицированных древесных углей, которая позволяет скорректировать состав воды в зависимости от источника водоснабжения до требуемых значений

С этой целью на кафедре химической технологии древесины УГЛТУ разработаны и запатентованы технологии получения модифицированных древесных углей, обладающих свойствами ионообменников.

Модифицированные угли относятся к наносистемам, т.к. их свойства зависят от размера пор.

Для корректировки катионного состава воды предлагается использовать окисленный древесный уголь, которые являются полифункциональными катионитами с широким диапазоном изменения кислотных свойств. Установлено, что катионный обмен на окисленном угле обусловлен как наличием реальных кислородсодержащих функциональных групп кислого характера, так и легко отщепляемыми ионами водорода двойного электрического слоя.

Наличие на поверхности угля различных группировок предопределяет образование малодиссоциированных комплексов при взаимодействии угля с отдельными катионами металлов. А разнообразие кислотных центров, обуславливающих полифункциональность окисленных углей, предопределяет характер и прочность связи при сорбции ими как различных, так и одноименных катионов, то есть определяет избирательный ионный обмен на угле.

нанопористый материал углеродная матрица уголь вода

Для корректировки анионного состава более высокую активность показали активные угли, которые по специфическому взаимодействию с электролитами являются анионообменниками, оставаясь при этом эффективными сорбентами. Активные угли проявляют активность по отношению к нитратам, нитритам, силикатам, хлоридам и другим анионам.

На основании проведенных исследований нами разработана и запатентована установка для подготовки воды (Рисунок 1) [1].

Рисунок 1 - Установка для подготовки воды для пивоварения

Кроме воды на стойкость пива оказывают влияние химический состав экстрактивных веществ.

Значительная часть веществ пива, обуславливающих его характерные особенности, такие как вкус, прозрачность, способность к пенообразованию, игристость и т.п., находится в коллоидном состоянии. Для сохранения этих свойств пива до момента потребления необходимо, чтобы коллоидные системы находились в стабильном состоянии. Появление помутнений в процессе хранения пива связано с укрупнением размера частиц в результате их сталкивания, конденсации, окисления и полимеризации. Кроме того, вследствие дегидратации некоторых коллоидных соединений увеличивается их заряд и происходит взаимодействие заряженных частиц. Как показали исследования, по химическому составу помутнения представлены высокомолекулярными белками и полифенолами.

В настоящее время на большинстве предприятий в качестве сорбента, снижающего содержание коллоидных частиц, применяется кизельгур. Кизельгур - природный материал, состоящий из панцирей одноклеточных водорослей диатомий, и по химическому составу представлен оксидами кремния, алюминия, кальция и других элементов.

Целью данного этапа исследований было изучение возможности извлечения высокомолекулярных белков и полифенолов за счет использования древесных модифицированных углей. Результаты исследования показали, что микропористые активные и окисленные древесные угли обладают низкой способностью к сорбции данных соединений, что обусловлено размерами и структурой пор. В то же время осветляющие угли, обладая высоким содержанием мезопор, проявляют высокие сорбционные свойства.

С этой целью на кафедре ХТД в лабораторных условиях были получены партии древесного осветляющего угля за счет дополнительной активации активного угля марки БАУ.

Оценка качества полученных углей проводилась по их сорбционной активности по метиленовому оранжевому и мелассе.

Как видно из результатов исследований, гранулированный уголь обладает пониженной сорбционной способностью, что обусловлено снижением поверхности контакта фаз.

На данной диаграмме мы видим, что при увеличении продолжительности активации активность по мелассе постепенно возрастает, что говорит об увеличении макропористой структуры. (Рисунок 2).

Рисунок 2 - Зависимость сорбционной активности осветляющих углей по мелассе от продолжительности активации

Активность по метиленовому оранжевому с увеличением продолжительности активации сначала увеличивается, но при обработке 2 и 3 часа значения практически равны, что говорит о прекращении формирования мезопористой структуры, следовательно, активацию можно прекращать уже при 2-х часах обработки. (Рисунок 3).

Далее нами изучалось влияние продолжительности активации угля и его гранулометрического состава на способность к сорбции высокомолекулярных белков и полифенолов из пива.

Наши исследования показали, что если развитие макропористой структуры соответствующей активности по мелассе >60 и развитие мезопористой структуры соответствующей активности по метиленовому оранжевому >170, то происходит эффективная сорбция высокомолекулярных белков и полифенолов. При активности по мелассе < 20 и активности по метиленовому оранжевому <150 происходит активная сорбция высокомолекулярных белков, при этом извлечение полифенолов не значительно. При активности по мелассе <20 и активности по метиленовому оранжевому <120 сорбция высокомолекулярных соединений практически не протекает.

Рисунок 3 - Зависимость сорбционной активности осветляющих углей по метиленовому оранжевому от продолжительности активации

Таблица 2 Влияние сорбционной активности осветляющих углей на сорбцию высокомолекулярных белков и полифенолов

Таким образом, разработанная нами технология активации позволяет измененять распределение пор по размерам, тем самым изменяя свойства наносистемы.

Сравнение с существующими разработками и экономический эффект

1. Пат.96361 Российская Федерация, МПК С02F1/00. Устройство для подготовки воды [Текст] / Дроздова Н.А., Тропина К.Ю., Пономарев О.С., Панова Т.М., Юрьев Ю. Л.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО "Уральский государственный лесотехнический университет". - №96361; заявл.26.02.2010; опубл.27.07.2010.

Размещено на Allbest.ru