Text
                    

УЧЕБНИКИ И УЧЕБНЫЕ ПОСОБИЯ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ Е. Д. ФАРАДЖЕВА, В. А. ФЕДОРОВ ОБЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ БРОДИЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образованию в области технологии продуктов питания и пищевой инженерии в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направле- нию подготовки дипломированного специалиста 655600 «Производство продуктов питания из растительного сырья», по специальности 270500 «Технология бродиль- ных производств» 0 МОСКВА «КОЛОС» 2002
УДК 663.1/.8 (075.8) ББК 3б.87я73 Ф24 Редактор Н. В. Куркина Рецензенты: зав. кафедрой «Процессы ферментации и промышленного биокатализа» Московского государственного университета пищевых производств проф. М. В. Гернет, зав. кафедрой пищевой биотехнологии Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий проф. И. М. Василинец. Фараджева Е. Д., Федоров В. А. Ф24 Общая технология бродильных производств. — М.: Ко- лос, 2002. — 408 с.: ил. (Учебники и учеб, пособия для сту- дентов вузов). ISBN 5-10-003613-3. В учебнике описаны основные закономерности размножения и роста микроорганизмов, применяемых при производстве продуктов брожения; изложены данные о структуре ферментов, механизме их действия, влия- нии физико-химических факторов на их активность и стабильность; рас- смотрена кинетика ферментативных реакций; представлены теория фер- ментативного гидролиза крахмала и белков, виды и теоретические основы процессов брожения. Приведены технологии солода, этанола из крахмал- содержащего сырья и мелассы, пива, хлебопекарных дрожжей, плодово- ягодных и виноградных вин, крепких алкогольных напитков, хлебного кваса, безалкогольных напитков, минеральных вод и пищевых органичес- ких кислот с учетом современных достижений науки и техники. Для студентов вузов, обучающихся по направлению 655600 «Производ- ство продуктов питания из растительного сырья», по специальности 270500 «Технология бродильных производств». УДК 663.1/.8 (075.8) ББК 36.87я73 ISBN 5-10-003613-3 © Издательство «Колос», 2002
Посвящается учителю, доктору технических наук Федорову Алексею Федоровичу ВВЕДЕНИЕ Технология — это наука, изучающая способы и процессы пе- реработки сырья в готовую продукцию. Слово «технология» со- стоит из двух греческих слов: «технос» — искусство, производ- ство и «логос» — наука. Дословно «технология» — это наука о производстве. Технология продуктов брожения изучает способы и про- цессы переработки различных видов сырья в продукты броже- ния. Под брожением понимают превращение углеводов и не- которых других органических соединений под воздейст- вием ферментов, продуцируемых микроорганизмами, в новые вещества. Известны различные виды брожения. Обычно они называются по конечным продуктам, образующимся в процессе брожения. Наибольшее применение в промышленности находят спиртовое, молочнокислое, уксуснокислое, лимоннокислое и ацетонобутило- вое брожение. Производства, основанные на брожении, связаны общнос- тью применяемого сырья и характером технологических про- цессов. В бродильных производствах используют различные микроор- ганизмы: дрожжи, бактерии, микроскопические грибы. Для производства этанола, вина, пива и хлебопекарных дрож- жей используют дрожжи. Бактерии применяют в производстве ацетона, бутанола, молочной, уксусной и масляной кислот. Мик- роскопические грибы используют при получении лимонной и глюконовой кислот. Производство кваса основано на совместном применении дрожжей и молочнокислых бактерий. К бродильной промышленности относятся также производства ликероводочных и безалкогольных напитков, так как они приме- няют этанол и технологическое оборудование, используемые в бродильном производстве. Наиболее древними отраслями бродильных производств яв- ляются виноделие и пивоварение. В Египте виноделие появи- 3
лось еше за 8—10 тыс. лет до н э В Вавилоне варили пиво за 7 тыс. лет до н. э. Современные заводы бродильной промышленности — это вы- сокомеханизированные предприятия с интенсифицированными и непрерывными технологическими процессами. Дальнейшее совершенствование технологии и техники бродильных произ- водств направлено на расширение ассортимента, повышение ка- чества и выхода выпускаемой продукции, полное и более рацио- нальное использование перерабатываемого сырья, снижение тепло- и энергозатрат, улучшение экологии и обеспечение вы- соких технико-экономических показателей работы предприятий.
Глава 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ БРОДИЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ Бродильные производства основаны на использовании жизне- деятельности микроорганизмов Для каждого вида брожения подбирается определенная культура микроорганизма и создают- ся условия, обеспечивающие ограничение или полное исключе- ние развития посторонней микрофлоры. Чтобы управлять микро- биологическим процессом, необходимо знать физиологию приме- няемых культур микроорганизмов, т. е. процессы, протекающие в клетке, условия культивирования и влияние основных факторов окружающей среды на направленный биосинтез. 1.1. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗМНОЖЕНИЯ И РОСТА МИКРООРГАНИЗМОВ 1.1.1. СТАДИИ РАЗВИТИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ Для использования микроорганизмов в производстве необхо- димо всестороннее изучение их свойств, в том числе закономер- ностей роста и развития. Под ростом понимают увеличение био- массы организма за счет усвоенных им питательных веществ сре- ды, а под развитием — изменение морфологических и физиологи- ческих свойств в процессе жизненного цикла. Бактерии, дрожжи и микроорганизмы обычно размножаются почкованием и очень редко при большом дефиците питательных веществ и других неблагоприятных условиях — спорообразовани- ем Культивирование микроорганизмов может осуществляться пе- риодическим и непрерывным способами При периодическом культивировании микроорганизмы по- следовательно проходят пять основных стадий (фаз) роста: лаг- фазу, экспоненциальную, или логарифмическую, замедленного роста, стационарную и отмирания (рис. 1.1). Характер этих ста- дий завиш?г от физиологического состояния клеток и различных факторов среды. Лаг-фаза. В этой фазе происходит процесс приспособления микроорганизмов к новой среде и окружающим условиям. Чис- ленность микроорганизмов в этой фазе не увеличивается. Про- 5
4 в 12 16 20 24 28 32 Продолжительность, ч Рис. 1.1. Фазы роста микроорганизмов: /—лаг-фаза; //—экспоненциальная; III — замедленного роста; IV— стационарная; V— фаза отмирания должительность фазы зависит главным образом от условий предварительного культивиро- вания и от того, насколько пригодна для их роста данная питательная среда. В тех слу- чаях, когда источники энергии и углерода в новой среде отли- чаются от тех, какие имелись в предшествующей культуре, адаптация к новым условиям может быть связана с синтезом новых ферментов, в которых ранее не было необходимости. Если молодые, только что де- лившиеся клетки внести в бла- гоприятную питательную сре- ду, то лаг-фаза может отсут- ствовать. Экспоненциальная, или лога- рифмическая, фаза. Характери- зуется максимальной для дан- ной культуры скоростью раз- множения. В этой фазе клетки хорошо снабжены питательными веществами и не накопили еще вредных продуктов обмена. Большинство клеток в этой фазе физиологически молодые и биологически активные. Размножение микроорганизмов может быть определено прогрессией, подчиняющейся закону сложных процентов. Количество микроорганизмов, которое накопится в питательной среде к концу периода т, может быть вычислено из уравнения А = А&к\ где А — масса (или количество клеток) в конце периода т; Ао — масса (или коли- чество клеток) засевных микроорганизмов; е — основание натуральных лога- рифмов, равное 2,718; к — коэффициент размножения, выражается в граммах прироста микроорганизмов за 1 ч на каждый грамм микроорганизмов, содержа- щихся в среде. Константа скорости размножения К= 1п(Л/Л0)Л, или К= 2,3 Ig(/l/710)/T. Фаза замедленного роста. Экспоненциальная фаза постепенно переходит в фазу замедленного роста. В этой фазе скорость раз- множения популяции постепенно снижается. Это объясняется 6
тем. что через несколько часов после начала логарифмической фазы роста в питательной среде создаются неблагоприятные усло- вия для размножения микроорганизмов: уменьшается концентра- ция питательных веществ и некоторых необходимых соединений в среде, изменяется pH, часть клеток переходит в состояние покоя и гибнет вследствие различных причин. Интенсивность деления клеток снижается, а гибель клеток возрастает, рост числа живых клеток происходит все медленнее. Стационарная фаза. Эта фаза наступает тогда, когда абсолютное число клеток в популяции перестает увеличиваться, хотя многие из них находятся в стадии активного деления. Число вновь образу- ющихся и число погибающих или переходящих в стадию покоя клеток приблизительно одинаковы. На протяжении этой фазы численность популяции не изменяется, скорость размножения равна скорости отмирания. Число клеток в единице объема в стационарной фазе макси- мальное, их размеры близки к размерам клеток в исходном посев- ном материале. Это максимальное значение числа клеток является важным характерным признаком каждого микроорганизма и зави- сит от внешних условий. Фаза отмирания. В этой фазе скорость отмирания микро- организмов превышает скорость их размножения. Число жи- вых клеток уменьшается Из-за начавшегося автолиза снижается и суммарная биомасса культуры. Отмечаются морфологические и физиологические изменения, появляются инволюционные (необычные) формы клеток. Фаза отмирания является прямой противоположностью лога- рифмической фазе. Если в логарифмической фазе достигает мак- симума скорость размножения, то в фазе отмирания — скорость отмирания, численность микроорганизмов быстро снижается, в живых остается небольшая часть клеток. Таким образом, на различных стадиях развития культур микроорганизмов изменяется скорость роста их клеток. Одно- временно со скоростью роста модифицируется и физиологи- ческая активность микроорганизмов Быстрорастущие клетки потребляют питательные вещества и образуют продукты обмена гораздо быстрее, чем клетки, рост которых начал замедляться Первые более отзывчивы на воздействия среды: они легче синтезируют адаптивные ферменты и обладают меньшей ус- тойчивостью к неблагоприятным внешним факторам (повы- шенной температуре, осмотическому давлению, ядовитым ве- ществам и» др.). В процессе роста культуры происходят также изменения фер- ментного аппарата клеток. В связи с этим одни биохимические свойства клеток проявляются в период быстрого роста, другие же, наоборот — в период его замедления и отмирания. 7
1.1.2. МЕТОДЫ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ Культивирование микроорганизмов может происходить перио- дическим и непрерывным методами. Когда применяют периоди- ческий метод культивирования микроорганизмов, то весь объем питательной среды загружают в аппарат сразу, добавляют посевной материал и при оптимальных условиях ведут процесс до тех пор, пока не накопится нужное количество биомассы микроорганизмов или метаболитов — продуктов их жизнедеятельности. При перио- дическом культивировании изменяется состав среды: уменьшается концентрация питательных веществ и увеличивается содержание метаболитов. Так, в экспоненциальной фазе роста микроорганиз- мов питательные вещества среды быстро истощаются и происходит накопление продуктов метаболизма, в результате чего культура пе- реходит в стационарную фазу. Таким образом, при периодическом методе изменяются темп роста, морфология и физиология культи- вируемого микроорганизма. К тому же возникают технологические трудности — циклический ход операций, сменные технологические режимы, что затрудняет контроль и регулирование процесса. Указанные трудности можно устранить применением про- точных, постоянно обновляемых сред, т. е. при непрерывном культивировании, методы которого разработаны С. В. Лебедевым, А. А. Андреевым, Н. Д. Иерусалимским и другими учеными. Из непрерывных методов лучше всего разработан так называемый ме- тод глубинной ферментации. Характерным для этого метода явля- ется то, что клетки микроорганизмов суспендированы в питатель- ной среде и находятся во взвешенном состоянии. При этом методе в ферментатор с культурой микроорганизма — продуцента непре- рывным потоком поступает свежая питательная среда и постоянно вытекает готовая культуральная жидкость вместе с клетками вве- денной культуры микроорганизма. При непрерывном культивировании можно задержать культуру на любой стадии развития и заставить клетки размножаться с со- ответствующей скоростью по экспоненциальному закону. Процесс непрерывного культивирования может быть гомо- и гетерогенно-непрерывным. Способ проточного культивирования, при котором во всех точках ферментатора благодаря интенсивно- му перемешиванию сохраняются одинаковые параметры среды и содержание микробной биомассы в единице объема жидкости ос- тается все время постоянным, называют гомогенно-непрерывным. Применение такого способа обеспечивает постоянство состава среды в ферментаторе. Когда культивирование проводят в одном ферментаторе, не- прерывность процесса создается благодаря подвижному равнове- сию между приростом микробной биомассы и уменьшению ее за счет разбавления культуры свежей средой. 8
В бродильном производстве распространен гетерогенно-непре- рывный метод, при котором процесс ведется в батарее последова- тельно соединенных ферментаторов. Состав жидкости, протекаю- щей через аппараты, постепенно изменяется согласно некоторому градиенту. Поэтому этот способ известен так же, как градиентно- непрерывный. Питательная среда поступает в первый фермента- тор, а готовая культуральная жидкость вытекает из последнего ферментатора. Градиентно-непрерывный способ брожения широ- ко применяют в производстве этанола, пива и шампанского. За время прохождения через батарею бродильных аппаратов среда постепенно изменяется, а взвешенные в ней дрожжевые клетки стареют и даже отмирают. При непрерывном культивировании микроорганизмов необхо- димо так отрегулировать скорость притока питательной среды и вытекания культуральной жидкости, чтобы вымывания культуры из системы не происходило, т. е. концентрация клеток была бы постоянной. Для осуществления непрерывного процесса брожения наибо- лее целесообразно использовать многоступенчатые батареи, т. е. градиентно-непрерывный метод. С помощью этого метода куль- тивирование микроорганизма проводят до конца, включая этап отмирания, таким образом добиваясь полной переработки суб- страта и максимального выхода продукта. Непрерывный метод обеспечивает однородность и стандарт- ность получаемого продукта. Продуктивность микроорганизма непрерывно поддерживается на максимальном уровне. Процесс идет все время с равномерной скоростью, что открывает большие возможности для автоматизации. Для непрерывного культивирования применяют два типа аппа/ ратов: турбидостат и хемостат. Для поддержания культуры в состо- янии максимальной скорости роста используют турбидостат. Характерная особенность непрерывного метода культивирова- ния — постоянство благоприятных условий для жизнедеятельнос- ти микроорганизмов при установившемся режиме, когда техноло- гический процесс протекает при оптимальных параметрах, без из- менения состава среды и свойств самих микроорганизмов. 1.1.3. ВЛИЯНИЕ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОГО ПОТЕНЦИАЛА НА ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТЬ МИКРООРГАНИЗМОВ Для развития, роста и размножения микроорганизмов необхо- дима энергия. Способы добывания энергии у микроорганизмов различны» Большинство из них живет за счет окисления веществ кислородом воздуха. Микроорганизмы, не имеющие других спо- собов добывания энергии, называют облигатными аэробами. Но есть микроорганизмы, которые получают энергию без участия 9
кислорода воздуха за счет сопряженного окисления — восстанов- ления веществ субстрата. Такие микроорганизмы называются об- лигатными анаэробами. Кислород подавляет их развитие. Имеются промежуточные формы микроорганизмов: факульта- тивные аэробы и анаэробы. Микроорганизмы, обладающие лабильным обменом веществ, т. е. живущие за счет окисления кислородом воздуха и сопряжен- ных окислительно-восстановительных реакций без участия кисло- рода воздуха, называют факультативными аэробами. При недо- статке кислорода они могут переходить на анаэробный способ су- ществования. Микроорганизмы, которые могут жить как при поступлении воздуха, так и без него, называют факультативными анаэробами. Они живут за счет сопряженного окисления-восстановления без вовлечения кислорода. Известны факультативные анаэробы (например, дрожжи), спо- собные в зависимости от условий развития переходить с анаэроб- ного на аэробный тип получения энергии. Анаэробные микроорганизмы, к которым принадлежат многие бактерии и некоторые дрожжи, необходимую для жизнедеятель- ности энергию получают в процессе брожения. Этот энергетичес- кий процесс протекает путем сопряженного окисления-восста- новления без участия в нем кислорода воздуха. Акцептором водо- рода, отщепленного от окисляемого органического соединения, взамен молекулярного кислорода служат промежуточные продук- ты распада того же органического вещества. Примером такого типа получения энергии служит спиртовое брожение, осуществляемое многими дрожжами в анаэробных условиях. Без участия кислорода молочнокислые бактерии, явля- ясь факультативными анаэробами, осуществляют молочнокислое брожение. Примером облигатных анаэробов являются маслянокислые бактерии, которые получают энергию в процессе маслянокислого брожения. Аэробам требуется много кислорода. Для окисления 1 г глюко- зы до СО2 и Н2О требуется приблизительно 1 г кислорода. Однако предоставить необходимый кислород микроорганизму в большой концентрации нельзя, так как он является сильным окислителем, особенно при наличии катализаторов — ферментов. Может произойти нежелательное окисление в клетке. В результа- те цепных окислительных реакций в клетках разрушаются биоло- гические мембраны, накапливаются пероксиды и другие ядовитые вещества. По гипотезе Р. Гершман, причина токсичности высоких концентраций кислорода состоит как раз в интенсификации цепного окисления. Микроорганизмы не переносят кислород в значительных концентрациях. Допустимая концентрация кисло- рода в воде, переносимая микроорганизмами, достигает 10 мг/дм3. 10
Если насытить воду чистым кислородом, то в ней растворится кислорода до 40 мг/дм3. Эту концентрацию кислорода уже не вы- держивает ни один микроорганизм. При огромной потребности в кислороде микроорганизмы очень быстро используют ничтожное количество растворенного кислорода, и их рост зависит от скорости поступления в раствор все новых и новых порций кислорода. Если микроорганизм вырашивают на поверхности жидкой или твердой фазы, то он не испытывает особых затруднений в получе- нии кислорода, так как черпает его непосредственно из воздуха. При так называемом глубинном культивировании, т. е. когда мик- роорганизм растет в толще среды, он может пользоваться только кислородом, растворенным в среде. Степень окисления и восстановления среды характеризуется гН2. Символ гН2 аналогичен pH Но pH выражает степень кис- лотности и щелочности, а гН2 — окислительную и восстанови- тельную способность среды. Если для определения pH необходи- мо знать только концентрацию ионов Н+, то для определения гН2 — как pH данного раствора, так и окислительно-восстанови- тельный потенциал Eh. Окислительно-восстановительный потенциал Eh показывает разность потенциалов (мВ), возникающих в растворе между пла- тиновым и нормальным водородным электродами, составляющи- ми гальванический элемент. В микробиологии окислительно-восстановительный потенциал выражают через гН2. Связь между гН2, Eh и pH описывается сле- дующей формулой: rH2 = Eh/0,029 + 2рН. Величины гН2 от Одо 41 характеризуют все степени насыщения водного раствора водородом и кислородом, т. е. любую степень аэробности среды. Чем меньше гН2, тем больше восстановительная способность раствора. Наибольшая восстановительная способность водного раствора равна 0 (выделение водорода), а наибольшая окисли- тельная способность — примерно около 41 (выделение кисло- рода). Облигатные анаэробы могут существовать при гН2 не выше 18—20, а размножаться при гН2 не выше 3—5. Факульта- тивно-аэробные и факультативно-анаэробные формы живут в средах при гН2 от 0 до 30, но высокие значения гН2 для них нежелательны. Как анаэробы, так и аэробы могут сами в определенной степе- ни изменять гН2 питательной среды, на которой они растут, дово- дя его до наиболее подходящего для их роста значения посред- ством выделения восстановителей. 11
В основе размножения микроорганизмов лежит совокупность последовательно протекающих ферментативных реакций. Микро- организмы начинают размножаться лишь после того, как гНь пи- тательной среды приобретет требуемое для протекания этих реак- ций значение. Отсюда ясно, какое важное значение имеет опреде- ление окислительно-восстановительного потенциала в технологии продуктов брожения. 1.1.4. ВЗАИМООТНОШЕНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ В природных условиях обитания микроорганизмы образуют сложный биоценоз — такие сообщества, в которых они находятся в определенных взаимоотношениях и где каждый вид микроорга- низма находится под постоянным стимулирующим или угнетаю- щим влиянием со стороны окружающих его других видов. В производственных условиях при сбраживании культуральных сред наряду с микроорганизмами, являющимися продуцентами желательных для них веществ, также находятся те или иные сопут- ствующие им микроорганизмы. Взаимоотношения между живу- щими в одних и тех же условиях разными микроорганизмами мо- гут быть самыми различными В основном эти взаимоотношения сводятся к симбиозу, метабиозу и антагонизму Симбиоз характеризует такие взаимоотношения микроорганиз- мов, при которых оба симбионта (сожителя) получают взаимную пользу, развиваясь вместе даже лучше, чем каждый в отдельности. Симбиотические взаимоотношения существуют между некоторы- ми молочнокислыми бактериями и дрожжами. Молочнокислые бактерии, продуцируя молочную кислоту, создают благоприятные условия (оптимальный pH) для роста дрожжей, которые, обога- щая, в свою очередь, среду обитания аминокислотами и витами- нами, стимулируют развитие молочнокислых бактерий. Квас — продукт симбиоза этих двух микроорганизмов. Метабиоз означает такое взаимоотношение микроорганиз- мов, при котором продукты обмена одного вида микроорганиз- мов служат питательным материалом для другого. Так, дрож- жи, развиваясь в сахаристых субстратах, превращают сахар в этанол. После этого в культуральной среде, содержащей этанол, могут развиваться уксуснокислые бактерии, окисляющие эта- нол в уксусную кислоту, а уксусная кислота, в свою очередь, ис- пользуется плесенями, которые превращают ее в диоксид угле- рода и воду. Антагонизм — противоположность метабиоза. Это такая форма конкурентных взаимоотношений, при которой один микроорга- низм угнетает или даже вызывает полную гибель другого. В борьбе за существование у микробов выработались различные антагонис- тические отношения 12
Причины возникновения антагонизма и средства борьбы со своими конкурентами у микроорганизмов весьма различны. Одни виды вытесняют другие путем обильного и очень быстрого раз- множения. Другие виды выделяют такие продукты метаболизма, которые подавляют рост многих микроорганизмов. Различают пассивный и активный антагонизм. Пассивный ан- тагонизм обусловлен более быстрым использованием питательных веществ среды и использованием в качестве питания клеток свое- го конкурента (насильственный антагонизм). Сущность насильственного антагонизма состоит в том, что при недостатке в среде питательных веществ бактерии-антагонисты для растворения клеток конкурента выделяют протеолитические ферменты и затем всасывают образовавшиеся продукты фермен- тативного распада. Активный антагонизм связан с образованием продуктов обмена (спиртов, кислот) и обусловлен образованием антибиотических веществ. Многие микроорганизмы в процессе метаболизма выде- ляют органические кислоты, которые настолько изменяют актив- ную кислотность среды, что подавляют развитие микроорганиз- мов других видов. Так, молочнокислые бактерии, продуцируя мо- лочную кислоту, полностью подавляют развитие гнилостных бак- терий в молоке. Дрожжи образуют спирт, который не дает развиваться другим микроорганизмам. Некоторые плесневые гри- бы способны образовывать лимонную кислоту из сахара, что так- же способствует подавлению быстро развивающихся конкурент- ных бактерий. 1.1.5. ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ИНФЕКЦИЯ И ДЕЗИНФЕКЦИЯ Под производственной инфекцией понимают попадание в проме- жуточные продукты и продукты того или иного производства по- сторонних микроорганизмов. Развиваясь на различных стадиях производства, микроорганизмы понижают выход основного про- дукта (например, спирта) или приводят к порче таких продуктов, как пиво и вино. Источники производственной инфекции. К внешним источникам производственной инфекции относятся воздух, вода, зернопро- дукты, производственные дрожжи. Наружный воздух, так же как и воздух производственных поме- щений, всегда содержит бдльшее или меньшее количество микро- организмов. И там, где воздух непосредственно соприкасается с суслом, пивом или вином, он может быть источником инфекции. Производственная вода также может содержать зародыши микро- организмов. Большое число микроорганизмов (бактерий, дрожже- вых грибов и плесеней) находится на поверхности (оболочках) зернопродуктов. 13
Источники инфекции встречаются и на самом производстве. Они возникают в различных, особенно труднодоступных для чистки, местах в производственном оборудовании, в которых за- держиваются остатки производственных жидкостей, являющихся питательной средой для микроорганизмов. При соприкосновении с ними производственные жидкости инфицируются и сами стано- вятся источниками инфекции. Активным средством уничтожения и подавления развития на производстве вредных и посторонних микроорганизмов является дезинфекция. На каждом предприятии проводят профилактичес- кие меры борьбы с инфекцией, своевременно удаляют отходы и отбросы, поддерживают чистоту в помещениях, следят за личной гигиеной обслуживающего персонала. Наряду с профилактичес- кими мерами применяют и активные меры борьбы с инфекцией, которые по характеру действующего средства делятся на физичес- кие и химические. Физические методы дезинфекции. К физическим методам обез- зараживания относятся различные способы стерилизации: авто- клавирование, применение горячего воздуха, насыщенного водя- ного пара, кипящей воды, а также обеспложивающая фильтрация, бактерицидное облучение и ультразвук. Большинство неспорообразующих бактерий и дрожжей поги- бает при нагревании до 60—70 °C в течение 5—20 мин. Такие бак- терии, как пивная сарцина, термобактерии и слизеобразующие, более устойчивы и не всегда погибают даже при нагревании до 80—90 °C. Споры микроорганизмов еще более устойчивы к дей- ствию высокой температуры. Пропаривание трубопроводов ост- рым паром убивает вегетативные и споровые формы. Устойчи- вость бактериальных спор к нагреванию и химическим дезинфи- цирующим веществам, вероятно, обусловлена либо степенью гид- ратации их протоплазмы, либо тем, что вода в протоплазме эндоспор находится в связанном состоянии. Во всяком случае, вода, содержащаяся в спорах, по-видимому, не обладает свойства- ми свободной водной фазы. Химические методы дезинфекции. К химическим методам обез- зараживания относится применение различных дезинфицирую- щих и моющих средств: растворов гидроксида натрия, карбоната натрия, хлорной извести, антиформина, формалина, четвертич- ных аммонийных соединений (катапина), известкового молока, оксида серы, серной кислоты. В настоящее время применяют но- вые эффективные отечественные и импортные моющие и дезин- фицирующие вещества, такие, как катапин АБ, дезмол, диас, неосепталы и неолюксаны. Часто для борьбы с вредными микро- организмами совместно используют физические и химические ме- тоды. Тщательная борьба с инфекцией в бродильной промышлен- ности — основное условие, обеспечивающее высокий выход и ка- чество продукции. 14
1 2. ФЕРМЕНТЫ МИКРООРГАНИЗМОВ И ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР. СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ И ИХ ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ Ферменты — биологические катализаторы белковой природы, способные несколько раз ускорять химические реакции, протека- ющие в живом организме, но сами не входящие в состав конечных продуктов реакций. Вещества, на которые действуют ферменты, назы ваютс я субстратам и. Все биохимические реакции, протекающие в микроорганиз- мах, растениях и животных, катализируются соответствующи- ми ферментами. Исключительно велика роль ферментов в тех- нологии пищевых продуктов. В основе производства любого пищевого продукта лежат либо биохимические (ферментатив- ные), либо физико-химические процессы, либо эти процессы тесно взаимосвязаны. Режимы хранения сырья, его качество и выход продукта определяются действием ферментов и во многом зависят от инженера-технолога, способного умело уп- равлять ферментативными процессами на той или иной стадии производства. В отличие от неорганических катализаторов ферменты имеют свои особенности. Во-первых, скорость ферментативного катали- за на несколько порядков выше (от 103 до 109), чем небиологичес- кого катализа. Во-вторых, действие каждого фермента высокоспе- цифично, т. е. каждый фермент действует только на свой субстрат или группу родственных субстратов. В-третьих, ферменты катали- зируют химические реакции в мягких условиях, т. е. при обычном давлении, невысокой температуре (20—50 °C) и при значениях pH среды, в большинстве случаев близких к нейтральной. С точки зрения локализации ферментов в клетке их подразде- ляют на внеклеточные и внутриклеточные. Внеклеточные ферменты выделяются живой клеткой во внешнюю среду. Многие из них синтезируются микроорганиз- мами, вызывая расщепление биополимеров, продукты которых становятся доступными для транспорта из питательной среды че- рез биологические мембраны и их дальнейшего превращения внутри микробной клетки. К ним относятся ферменты растений, способные мигрировать к местам локализации субстратов и там осуществлять их деструкцию. Внутриклеточные ферменты находятся либо в клеточных органеллах, либо в комплексе с надмолекулярными струк- турами. Особую группу ферментов составляют полиферментные ком- плексы, в состав которых входит целый ряд ферментов, катали- зирующих последовательные реакции превращения какого-либо субстрата. Эти комплексы локализованы во внутримолекулярных структурах таким образом, что каждый фермент располагается в 15
непосредственной близости от фермента, катализирующего реак- цию в цепи данной последовательности реакций. Благодаря тако- му расположению ферментов процесс диффузии субстрата и про- дуктов реакции сводится к минимуму. 1.2.1. СТРУКТУРА ФЕРМЕНТОВ Химическая природа ферментов. Ферменты — высокомолекуляр- ные белковые соединения. Ферменты могут быть как простыми — однокомпонентными, так и сложными — двухкомпонентными. Первые построены из полипептидных цепей и при гидролизе распадаются только на аминокислоты; вторые состоят из белковой части — апофермен- та и небелковой части — кофактора. Оба компонента в отдель- ности лишены ферментативной активности. Только соединив- шись вместе и образовав так называемый холофермент, они приобретают свойства, характерные для биокатализаторов. Роль кофактора выполняют какой-либо ион или органическое соеди- нение. В молекулу апофермента чаще всего входят двухвален- тные ионы, например Zn2+, Mg2+, Fe2+, Cu2+, реже — однова- лентные К+ и Na+. К органическим кофакторам принадлежит примерно десяток соединений различной структуры. Большая часть их образуется из витаминов или представляет собой вита- мины, а также нуклеотиды. Активный центр ферментов. Ферментативный катализ происхо- дит на расстоянии длины химической связи, поэтому вполне по- нятно, что акт катализа должен совершаться на определенном участке белковой молекулы. Этот локальный участок и носит на- звание активный центр фермента. В однокомпонентных фермен- тах активный центр образуется в результате определенной ориен- тации аминокислотных остатков полипептидной цепи. Обычно в формировании этого центра принимает участие небольшое коли- чество аминокислот, порядка 12—16. Функциональные группы этих аминокислот могут принадлежать звеньям полипептидной цепи, весьма удаленным друг от друга. Их сближение связано с формированием третичной структуры фермента. В двухкомпонентных ферментах активный центр представляет собой комплекс кофактора и некоторых примыкающих к нему аминокислотных остатков. Ион металла может либо находиться в активном центре апофермента и быть непосредственно связанным с какой-либо функциональной группой аминокислотного остатка, либо входить в состав более крупной молекулы кофактора (напри- мер, гена в цитохромах). В первом случае он способствует форми- рованию каталитически активной конформации апофермента; во втором — служит мостиком между апоферментом и органической молекулой кофактора. 16
В активном центре различают контактный {якорный) участок, функция которого связывать субстрат, и каталитический участок, где происходит превращение субстрата в продукты реакции после его связывания контактным участком. В формировании контакт- ного и каталитического участков активного центра ферментов принимают участие следующие функциональные группы'. СООН- группы дикарбоновых аминокислот или концевые группы поли- пептидной цепи; имидазольная группа гистидина; ОН-группа се- рина, NH?-rpynna лизина и концевые группы полипептидной цепи' фенольная группа тирозина и гидрофобные остатки алифа- тических аминокислот. 1.2.2. МЕХАНИЗМ ФЕРМЕНТАТИВНОГО КАТАЛИЗА Энергия активации. Скорость любой химической реакции определяется энергетическим барьером, который необходимо преодолеть реагирующим молекулам. По Аррениусу, химичес- кая реакция с точки зрения энергетики процесса описывается уравнением J\[ = ^акт/RT где N — число активированных молекул; No — общее число реагирующих моле- кул; е— основание натуральных логарифмов; £;1кт— дополнительное коли- чество энергии, необходимое молекулам веществ для преодоления энергетичес- кого барьера реакции и вступления в нее; R — газовая постоянная; Т — абсолют- ная температура. Эта энергия получила название энергия активации. Она пред- ставляет собой разность общей энергии реагирующих молекул и энергии возбужденного переходного состояния. Чем больше энергия активации в реагирующей системе, тем выше энергети- ческий барьер и тем ниже ско- рость реакции. Важнейшая функция фермен- та — это снижение энергии акти- вации. На рис. 1.2 представлен график изменения энергии не- ферментативной и ферментатив- ной реакций. Фермент снижает высоту энергетического барьера (^акт < ^акт)- Уравнение Аррени- уса представляет собой степен- ную функцию; числителем пока- Рис. 1.2 Энергетическая схема нефер- ментативной (7) и ферментативной (2) реакций; ▼ — фермент зателя степени является отрица- тельная величина Еакт. Это озна- чает, что даже несущественное 17
уменьшение этой величины ведет к резкому возрастанию числа активированных молекул и адекватному увеличению скорости реакции. Большую роль в создании ферментативной кинетики сыграли работы Михаэлиса и Ментен, в которых был описан фермент- субстратный комплекс. Образование этого комплекса и ведет к снижению энергии активации. В современных представлениях об обшей теории ферментатив- ного катализа лежит принцип ориентированной сопряженной атаки нуклеофильных и электрофильных групп активного центра фермента на молекулу субстрата. Процесс ферментативного ката- лиза можно условно разделить на три стадии: стерическое связывание субстрата 5 с активным центром фер- мента Е (образование фермент-субстратного комплекса £5); преобразование первичного комплекса ES в активированный переходный комплекс ES*\ отделение конечного продукта Р от фермента. Первая стадия, непродолжительная по времени, зависит от концентрации субстрата и фермента в среде, скорости диффузии субстрата к активному центру фермента. В образовании комплек- са ES могут участвовать в различных сочетаниях как ковалентные, координационные и ионные связи, так и менее прочные формы связей—электростатическое притяжение полярных групп, ван- дер-ваальсовы силы сцепления между неполярными участками молекул и водородные связи. Характер этих связей обусловлен хи- мическими особенностями субстрата и функциональных групп, входящих в активный центр фермента. Вторая стадия является собственно катализом, т. е. актом раз- рыва или образования в субстрате новых связей; она наиболее медленная и лимитирует скорость химической реакции. На этой стадии происходит снижение энергии активации. Субстратная специфичность действия ферментов. Важным свой- ством ферментов является способность избирательно действовать на субстрат, определять путь его превращения. Это свойство полу- чило название субстратная специфичность ферментов По признаку специфичности действия все ферменты можно разделить на две группы: ферменты, обладающие абсолютной спе- цифичностью, и ферменты, обладающие относительной. Абсолют- ная специфичность проявляется тогда, когда фермент действует лишь на одно-единственное вещество и катализирует только оп- ределенное превращение этого вещества. Ферменты, обладающие относительной специфичностью, дей- ствуют сразу на несколько субстратов, имеющих ряд общих структурных свойств. Для этих ферментов важны тип связи и химическая структура лишь одного из компонентов, обра- зующих эту связь, тогда как структура другого компонента может изменяться. 18
Чем же объясняется специфичность действия ферментов? Существует две точки зрения. Первая из них развита Э. Фише- пОм По его образному выражению «фермент подходит к субстрату ?ак как ключ к замку». В соответствии с этой гипотезой структура активного центра не только высокоупорядочена, но и жестко за- креплена. Активный центр фермента соответствует структуре од- ного-единственного субстрата, поэтому только он может подвер- гаться действию активного центра. Гипотеза «ключа и замка» вполне удовлетворительно объясняет абсолютную специфичность. Однако с позиций жесткой структу- ры трудно объяснить относительную специфичность, поскольку в этом случае группа субстратов имеет определенные отличитель- ные черты в структуре. Вторая точка зрения, предложенная Э. Кошландом, устраняет это противоречие. Она получила название теория индуцированного соответствия фермента и субстрата. В этой теории использовано представление о гибкой структуре. Конформация фермента, осо- бенно ориентация его активного центра, должна быть способной к определенным структурным изменениям. Субстрат индуцирует соответствие — комплементарность активного центра фермента к нему. В зависимости от конформационной подвижности активно- го центра фермент способен взаимодействовать либо с немноги- ми, либо с самыми разными субстратами. Иными словами, неоди- наковая специфичность различных ферментов является следстви- ем малых или больших конформационных перестроек активного центра: если она ограниченна, фермент высокоспецифичен; если конформационные переходы активного центра широки, фермент обладает более широким спектром действия на структурные ана- логи субстратов. Теория Э. Кошланда получила эксперименталь- ное подтверждение (данные рентгеноструктурного анализа). В представлениях о механизме катализа и строении фермент- субстратных комплексов придается большое значение впадинам, расщелинам, полостям на поверхности белковой глобулы. Пред- ставление об активной полости занимает центральное место в тео- рии Э. Кошланда. В эту полость, по Э. Кошланду, втягивается реа- гирующее вещество. Возникает строгая адаптация субстрата и фермента и, следовательно, синхронное взаимодействие катали- тических групп с молекулой субстрата. В индуцированном состоя- нии каталитический участок активного центра фермента создает в молекуле субстрата область с повышенной или пониженной плот- ностью электронов, поляризует молекулу субстрата, делает ее вос- приимчивой к реакции. Важной особенностью теории индуцированного соответствия являются разделение способностей фермента связывать молекулу субстрата, быть специфичным к ней и способности катализиро- вать превращение субстрата. Хотя каталитическая активность и специфичность фермента и взаимосвязаны в результате взаимного 19
расположения контактных и каталитических групп активного центра относительно химических групп молекулы субстрата, но они имеют различные механизмы. Следствием различных механизмов связывания субстратов с ферментами могут являться также разные продукты химической реакции. Типичным примером этому могут быть амилазы, гидро- лизующие крахмал. Действуя на один и тот же субстрат, они об- разуют различные продукты гидролиза: глюкоамилаза — глюко- зу; р-амилаза — мальтозу; а-амилаза — декстрины. Теория ин- дуцированного соответствия в сочетании с гипотезой активной полости дает вполне удовлетворительное объяснение такой осо- бенности специфичности катализа. Образование глюкозы при гидролизе крахмала глюкоамилазой можно объяснить возникно- вением в глобуле фермента активной полости, способной вмес- тить в себя лишь один глюкозидный остаток (рис. 1.3, а). Анало- гичную картину представляет гидролиз крахмала Р-амилазой с той лишь разницей, что в глобуле возникает полость в разме- рах, необходимых для вмещения двух глюкозидных остатков (рис. 1.3, б). Важной контактной группой для обеих амилаз явля- ется R-группа, способная связываться с нередуцирующим кон- цом молекулы крахмала. Однако глюкоамилаза осуществляет полный гидролиз крах- мала, расщепляя как а-1,4-, так и а-1,6-глюкозидные связи, в то время как р-амилаза действует лишь на а-1,4-глюкозид- ные связи. Как видно из рис. 1.3, а, для активной полости глюкоамилазы фактически безразлично, какой глюкозидный остаток может быть втянут в нее: остаток, связанный с С4 или Q — атомом со- седнего звена. Важно лишь, чтобы связь С]—О была комплемен- тарна системе карбоксилат — имидазолий. Иное для р-амилазы. Поскольку ее активная полость способна вмещать два глюкозид- ных остатка, то ответвление в виде связи О—Q является серьез- ным стерическим препятствием для сближения системы карбо- ксилат — имидазолий со связью С]—О. Аналогичным образом можно объяснить образование декстри- нов при гидролизе крахмала а-амилазой, если представить актив- ный центр этого фермента в виде «активной щели», не содержа- щей контактной группы R (рис. 1.3, в). Протеолитические ферменты трипсин, химотрипсин и эластаза расщепляют в белках пептидные связи. Однако действие каждого из них строго специфично: трипсин гидролизует пептидные свя- зи, образованные лизином или аргинином; химотрипсин расщеп- ляет полипептидную цепь по фенилаланину, триптофану и тиро- зину; специфичность эластазы проявляется в ее действии на такие небольшие гидрофобные молекулы, как аланин. Установление структуры кристаллических ферментов показало, что полипептид- ные основы всех трех ферментов при наложении друг на друга 20
Рис. 1.3. Специфичность действия глюкоамилазы («), р-амилазы (б) и а-амилазы (в) на молекулу крахмала практически совмещаются. Разница же в специфичности этих ферментов обусловлена небольшими изменениями в строении «кармана», связывающего боковую цепь аминокислоты. Субстратная специфичность — уникальная особенность фер- ментов. Она является основой направления биохимических про- цессов живой клетки в строго определенное русло; без нее немыс- лима стройная гармония обмена веществ в организме. 21
Специфичность действия ферментов имеет и большое при- кладное значение. Она позволяет получить целевой продукт высо- кой степени чистоты и с высоким выходом Она может быть ши- роко использована в методах количественного определения того или иного химического соединения. 1.2.3. КИНЕТИКА ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ Согласно теории Михаэлиса и Ментен скорость ферментатив- ной реакции зависит от химических факторов среды (температу- ры, pH, веществ, находящихся вместе с ферментом в растворе) Скорость ферментативной реакции является мерой каталитичес- кой активности фермента и обозначает активность фермента. Из- мерить активность фермента можно либо по количеству превра- щаемого субстрата, либо по нарастанию концентрации продукта реакции в единицу времени. Влияние концентрации фермента на скорость ферментативной ре- акции. Зависимость скорости ферментативной реакции v от кон- центрации фермента [Е] описывается простым уравнением: v=K[E], где [Е] — концентрация фермента Графически это уравнение представляет собой прямую ли- нию (рис. 1.4). Однако такая прямая пропорциональная зави- симость имеет место в том случае, когда концентрация субстра- та [S] находится в избытке по отношению к концентрации фермента [Е]. Из рис. 1.4 видно, что tga = К; при прочих рав- ных условиях величина К зависит от химической природы фер- мента и субстрата. Влияние концентрации субстрата на скорость ферментативной ре- акции. Исходя из представлений Михаэлиса и Ментен, любую ферментативную реакцию можно описать уравнением Рис 1 4 Зависимость скоро- сти ферментативной реакции от концентрации фермента E + S^ES + P, где к К}~ константы скорости образования и распада комплекса ES соответственно; Р— про- дукты реакции. С позиций кинетики ферментатив- ные реакции можно разбить на три стадии. 22
1. Развитие реакции (d\/dt> 0, где v — скорость реакции; г — ее продолжительность). Предполагается, что эта стадия протекает быстро и обратимо и не сопровождается какими-либо химически- ми изменениями. 2. Стационарная стадия, в которой скорость исчезновения субстрата равна скорости образования продуктов реакции. Кон- центрация комплекса ES постоянна (dv/dt = 0). Стационарное со- стояние можно охарактеризовать как период, во время которого образуется продукт реакции, а концентрация всех промежуточ- ных продуктов остается постоянной. Стационарная стадия являет- ся основной, в ней протекают химические процессы. Продолжи- тельность ее зависит от концентрации субстрата. 3. Спад реакции (dv/dt< 0). Выведем уравнение зависимости скорости реакции v от кон- центрации субстрата [S] для основной стационарной стадии фер- ментной реакции. Пусть [Ео] — исходная концентрация фермента, тогда [EJ — [ES] — концентрация свободного фермента. Согласно закону действия масс скорость образования комплекса ES описы- вается уравнением J[ES]M=/r1([E0]-[ES])[Sl. Аналогично определяется скорость распада комплекса ES -J[ES]/tft= XHES]. При d\/dt = 0 ([ES] = const) будем иметь равенство. /r,([Eo]-[ES])[S] = ^[ES] или ([Eo]-[ES])[S] = A-2[ES]/^. Обозначим K-JK\ = Ks. Ks — константа диссоциации комплекса ES (представляет со- бой обратную величину химического сродства фермента к суб- страту: чем меньше Ks, тем больше [ES]; [ESJ — величина, трудно определяемая экспериментально, поэтому от нее необходимо из- бавиться. [ES] = [E0][S]/(Ks+[S]). Скорость ферментативной реакции v в общем случае определя- ется величиной [ES]; если же в частном случае все молекулы фер- мента находятся в комплексе фермент — субстрат, то скорость ре- 23
акции будет максимальной Ии определяется величиной [Ео]. Сле- довательно, v/K=[ES]/[E0] или v = E[ES]/[Eo]. Подставив значение [ES] в это уравнение, получим v= W(^+[S]). Это уравнение получило название уравнение Михаэлиса — Мен- тен в честь авторов, предложивших его и впервые разработавших теоретические основы кинетики ферментативного катализа. Графически уравнение Михаэлиса — Ментен выражается ги- перболой — кривой, асимптотически приближающейся к горизон- тальной оси (рис. 1.5). Уравнение Михаэлиса — Ментен справедливо для начала фер- ментативной реакции, когда в реагирующей системе весьма мало продуктов реакции Оно не учитывает того факта, что распад комплекса ES происходит в сторону образования не только Е и S, но и Е и Р. Бриггс и Холдейн при модификации уравнения Михаэлиса — Ментен исходили из следующего уравнения фер- ментативной реакции: *1 к. E + SwES ->Е + Л К, В нем авторы учли распад комплекса ES на Е и Р, введя кон- станту скорости распада К2, и получили модифицированное урав- нение Михаэлиса — Ментен: v=W(^ + [S]). Рис. 1.5. Зависимость скорости ферментативной реакции от кон- центрации субстрата Величину Км назвали константой Михаэлиса; она не является истин- ной константой равновесия, а равня- ется отношению (К2 + Л3)/Я'|. Так как Ks = K2/Kx,7oKM=Ks + K3/Kx. Влияние температуры на актив- ность ферментов. Важнейшим фак- тором, от которого зависит актив- ность ферментов, является темпера- тура. Ее влияние широко использует- ся в технологии пищевых продуктов. 24
При О °C и тем более при тем- пературах ниже О °C действие большинства ферментов прекра- щается. Повышение температуры выше О °C способствует увеличе- нию активности ферментов. Изменение скорости хими- ческой реакции при повышении температуры на 10 °C обычно принято выражать температур- ным коэффициентом (2ю, кото- рый представляет собой отноше- ние скорости реакции при дан- ной температуре У1+10 10 °C ниже данной Vf. Рис. 1.6. Влияние температуры иа ак- тивность ферментов к скорости реакции при температуре на &о= ^ + ю/^ Как правило, величина (2ю для химических реакций лежит в пределах 2—4, для ферментативных реакций — между 1 и 2; при повышении температуры величина Сю Для ферментативных реак- ций заметно снижается. Влияние температуры на активность ферментов показано на рис. 1.6. В пределах физиологических условий и близких к ним скорость реакции растет с увеличением температуры (кривая 7), но выше 100 °C начинается тепловая денатурация белковой молекулы — инактивация фермента (кривая 2). Эти два явления объясняют форму кривой, близкую к колоколообразной, и появление темпе- ратурного оптимума реакции. Не все ферменты одинаково меняют свою активность с измене- нием температуры. Максимальная активность ферментов колеб- лется в зоне температур 30—50 °C. Вполне отчетливо наблюдается снижение активности при 60—70 °C; при 100 °C каталитическое действие большинства ферментов прекращается практически мгновенно. Влияние температуры на скорость ферментативной реакции чрезвычайно многообразно. Оно проявляется в действии фер- мента на белковую структуру, изменении скорости образования комплексов ES и ЕР и расщеплении последнего Температура также влияет на число столкновений молекул субстрата с моле- кулами фермента. Влияние pH среды на активность ферментов. pH — второй важ- ный фактор, влияющий на активность ферментов. Каждый фер- мент проявляет свое действие в пределах довольно узкой зоны pH. В прямоугольной системе координат кривая зависимости v =/(рН) Для большинства ферментов имеет колоколообразную форму 25
Рис. 1.7. Влияние pH среды на актив- ность ферментов Характер кривой v=/(pH) дой ферментов; восходящая и (рис. 1.7). Оптимальной актив- ности соответствует определен- ная область pH, причем на вер- шине кривой с точкой vmax зна- чение pH является оптималь- ным для действия на фермент. Это значение pH для различ- ных ферментов неодинаковое. Большое число ферментов в клетках имеет оптимум pH, близкий к нейтральному, т. е. совпадающий с физиологичес- кими значениями pH живой клетки. объясняется амфотерной приро- нисходящая ветви кривой явля- ются типичными кривыми титрования и определяются значе- ниями pt ионогенных групп, которые находятся в активном центре фермента. В общем виде действие фермента можно представить так: XalTEHj Ks К3 ЕН + S EHS-> ЕН + Р, XglTE- где и К6 — константы кислотной диссоциации кислотных и основных групп соответственно; EHj — неактивная (катионная) форма фермента; ЕН — актив- ная форма фермента; Е_ — неактивная (анионная) форма фермента. Представим это уравнение в форме математического моделиро- вания. Общая концентрация фермента [Ео] будет равна сумме трех состояний фермента [Е0] = ЕН+ + [ЕН]+[Е]-. Найдем долю активного фермента а = [ЕН]/Е0 = [ЕН]/([ЕН+] + [ЕН] + [Е -]). При оптимальном pH (рН0П)[Е0] = [ЕН], а активность фер- мента v = vmax. При значениях pH, отличающихся от рНоп, v = а • vniax или v = Vmax/d + [HWa + *6/[Н+]). Это уравнение справедливо при условии, что Н+-ионы оказы- 26
вают влияние лишь на ионизацию каталитически активных групп фермента и не затрагивают его структуры в целом. При значениях pH < рН0П[Н+]/Ла >> Лб/[Н+] и для «кислой» ветви кривой v = ДР/[Н]) уравнение принимает более простой вид v=vmax/(i + m/Aj. При значениях pH > рН0П[Н+]/Л'а << Аб/[Н+] «щелочная» ветвь кривой может быть представлена уравнением У = Уп1ах/(1+Кб/[Н+])- При построении кривой v=/(pH) это уравнение удобно выра- зить через рКа, рКб и pH: v = vmax/(l + Ю(РКа РН)); v = vmax/(1 + 1°(PH“PK6) Из уравнений вытекает важное следствие: при pH = рКа или pH = рК6 v = l/2vmax, т. е. при скорости расщепления субстрата ферментом, равной половине максимальной, константа иони- зации каталитически активной группы фермента численно рав- на концентрации Н+-ионов среды. Исходя из этого, на кри- вой v = /(pH) можно определить рКа и рК6, а по ним ионоген- ные группы, участвующие в катализе. В табл. 1.1 представле- ны значения pH ионогенных групп в ферментах, участвующих в катализе. Таблица 1.1 Значение pH для ионогенных групп ферментов, принимающих участие в катализе Группа | Значения pH а-Карбоксильная 1,8-2,2 Удаленная карбоксильная 3,9-4,3 Имидазольная 5,0-7,8 у-Аминная 8,3-9,8 Гидроксильная тирозина 9,7-10,1 Удаленная аминная 10,5 Гуанидиновая 9,0-12,0 27
1.2.4. НОМЕНКЛАТУРА И КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ Известно около 3000 различных ферментов. Из них около 250 выделено в кристаллическом виде. Систематизация всех этих ферментов представляет собой довольно сложную задачу. Если учесть, что почти для каждой реакции требуется свой фер- мент, а ферменты, катализирующие одну и ту же реакцию у различных организмов (животных, растений, микроорганизмов), отличаются по своим свойствам, то становится понятным, что общее количество существующих ферментов может достигать сотен тысяч и более. Номенклатура ферментов. Приняты два типа названия фермен- тов: рабочее, или тривиальное, и систематическое. Рабочее название впервые было предложено в 1898 г. француз- ским ученым Дюкло. Оно складывается из названия субстрата, к корню которого добавляется окончание «аза» (например, ами- лоза — амилаза, целлюлоза — целлюлаза, протеин — протеина- за). В названии многих ферментов указывается также тип ката- лизируемой реакции, например: лактат + дегидрогеназа-> лак- татдегидрогеназа; аланин + рацемаза —> аланинрацемаза. За некото- рыми давно известными ферментами оставлены тривиальные названия, предложенные авторами, впервые открывшими их: пеп- син, трипсин, ренин и т. д. Систематическое название фермента складывается из названий субстрата, типа катализируемого превращения и окончания «аза». Например, систематическое название лактатдегидрогеназы пи- шется так: £-лактат: КАП+-оксидоредуктаза. Систематические названия даются только изученным фер- ментам. Они более четки в представлениях о механизме ката- лиза. Однако в силу того, что многие субстраты представляют собой сложные соединения, некоторые из названий оказываются слишком громоздкими. Поэтому наряду с систематическими на- званиями сохраняются и тривиальные, удобные для повседнев- ного употребления. Классификация ферментов. Согласно классификации, разрабо- танной Комиссией Международного биохимического союза по ферментам в 1961 г., все ферменты делятся на шесть основных классов. В каждый класс включены ферменты, катализирующие общий тип реакций (табл. 1.2). Согласно этой классификации каждый фермент имеет свое ко- довое число (шифр), перед которым стоят две буквы: КФ. Шифр четырехзначный, цифры шифра разделены точками и характери- зуют следующие признаки фермента. 28
Таблица 1.2 Классификация ферментов, разработанная Комиссией Международного биохимическое > союза № п/п Класс Тип катализируемой реакции I Оксидоредуктазы 2 Трансферазы 3 Гидролазы 4 Лиазы 5 Изомеразы 6 Лигазы Окислительно-восстановительные реакции всех типов Перенос групп атомов от донорной молекулы к акцепторной Гидролитическое (с участием молекулы воды) расщепление связей Расщепление связей способом, отличным от гидролиза или окисления Взаимопревращения различных изомеров Образование связей в реакциях конденсации двух различных соединений с участием АТФ-ис- точника химической энергии Первая цифра указывает класс, к которому принадлежит фермент. Вторая цифра обозначает подкласс фермента. У оксидоредуктаз она указывает в молекуле донора природу той группы, которая подвергается окислению; у трансфераз — природу переносимой группы; у гидролаз — тип гидролизуемой связи; у лиаз —тип связи, подвергающейся разрыву (между от- щепляемой группой и остатком молекулы); у изомераз —тип ка- тализируемой реакции изомеризации; у лигаз — тип вновь образу- емой связи. Третья цифра указывает подкласс, тип участвующего в реакции акцептора или образовавшегося продукта реакции. Четвертая цифра означает порядковый номер фермента в дан- ном подклассе. Пример: а-амилаза Класс гидролазы------ Подкласс карбогидразы Подподкласс гликоназы Порядковый номер в подподклассе Номенклатура ферментных препаратов. В технологии пищевых продуктов получили распространение два метода использования ферментов: ферментов, содержащихся в самом перерабатываемом сырье, и ферментов, вносимых в обрабатываемый материал. 29
В пищевой промышленности ферменты используют в виде ферментных препаратов, которые отличаются от ферментов тем, что кроме активного белка они содержат различные балластные вещества. Их получают из сырья животного и растительного про- исхождения, содержащего ферменты уже в готовом виде. Производство ферментных препаратов ведется на промышлен- ной основе с использованием микроорганизмов — активных про- дуцентов соответствующих ферментов. Большое число ферментных препаратов вырабатывается из по- верхностных и глубинных культур микроскопических грибов, бак- терий и дрожжей. Очищенные и технические ферментные препараты содержат либо один, либо несколько ферментов. В комплексном препара- те один фермент может преобладать над другим. При определе- нии названия ферментного препарата учитывают только основ- ной фермент. Наименование препарата начинается с сокращенного назва- ния основного фермента (видовое название продуцента), к кото- рому присоединяется окончание «ин». Так, если основным фер- ментом является а-амилаза, то название препарата начинается с «амил», глюкоамилаза — с «глюк», протеаза — с «прот» и т. д. Вто- рой частью наименования препарата служит измененное видовое название продуцента. Если продуцент Asp. awamori, то вторая часть называется аваморин, Act. rimosus — римозин. Вас. subtilis — субтилин и т. д. Соединительная буква «о» в наименовании препарата появля- ется тогда, когда название вида микроорганизма начинается с со- гласной, в остальных случаях соединительной гласной служит первая буква наименования вида. Например, препарат протеиназ из гриба Asp. oryzae будет назы- ваться проторизин, а из Rhiz. pygmaues — протопигмауесин. В наименовании препарата отражается также способ культивиро- вания микроорганизмов. При глубинном способе культивирования после названия ставится буква Г, а при поверхностном — П. Условно количество фермента в стандартной (обладающей строго определенной активностью на единицу массы) глубинной и поверхностной культурах обозначается буквой X. Таким обра- зом, поверхностную культуру гриба Asp. awamori — продуцента глюкоамилазы следует назвать глюкаваморин ПХ, а глубинную — глюкаваморин ГХ. Цифра перед буквой X в наименовании препарата указывает на степень очистки фермента в процессе получения данного фер- ментного препарата. Выпускаемые промышленностью ферментные препараты пред- ставляют собой либо жидкости с концентрацией сухих веществ не менее 50 %, либо порошки белого, серого или желтого цвета с оп- ределенной стандартной активностью. 30
Номенклатура ферментных препаратов представляется в следу- ющем виде: ПХ и ГХ — стандартная исходная культура продуцента без какой-либо очистки; П2Х и Г2Х — жидкий концентрат растворимых веществ исход- ной культуры, освобожденной от нерастворимой части. Для по- верхностной культуры это концентрат с содержанием сухих ве- ществ 50 %, для глубинной культуры — не более 40 % ПЗХ и ГЗХ — сухие ферментные препараты, полученные высу- шиванием путем распыления экстракта из поверхностной культу- ры или же фильтрата культуральной жидкости при глубинном культивировании; П10Х и Г10Х — сухие препараты, полученные осаждением ферментов органическими растворителями или нейтральными солями; П15Х и Г15Х — препараты осажденных ферментов, в техноло- гии которых использовали различные методы очистки и фрак- ционирования ферментов; П25Х и Г25Х — высокоочищенные, но некристаллические ферментные препараты, содержащие до 20—25 % балластных веществ. Ферментные препараты позволяют значительно ускорить тех- нологические процессы, увеличить выход готовой продукции, по- высить качество, экономить ценное сельскохозяйственное сырье, улучшить условия труда на производстве. 1.2.5. ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ ГИДРОЛИЗ КРАХМАЛА Основным процессом при переработке крахмалсодержащего сырья в бродильных производствах является гидролиз крахмала амилолитическими ферментами солода и ферментных препара- тов. Углеводная часть крахмала состоит из двух полисахаридов: амилозы и амилопектина. Амилоза и амилопектин построены из остатков глюкозы С6Н10О5. Амилоза имеет молекулярную массу 3 • 105— 1 • 106, мо- лекулярная масса амилопектина достигает сотен миллионов. Схе- ма строения молекулы амилозы представлена в виде длинной це- почки глюкозных остатков, связанных глюкозидными а-1,4-свя- зями. В молекуле амилозы соединены несколько таких параллель- но расположенных цепочек. В каждой из них глюкозные остатки расположены по спирали. Схема строения молекулы амилопекти- на представлена в виде разветвленной цепи, состоящей из боль- шого числа глюкозных остатков (около 2500). Главная цепочка, к которой присоединяются боковые ветви, состоит из 25—30 глю- козных остатков. Каждая же отдельная боковая ветвь состоит из 18 остатков, а внутренние отрезки цепей (между точками вет- 31
вления)— из 8—9 таких остатков. Боковые цепочки, в свою очередь, связаны с соседними цепочками. В амилопектине ос- татки глюкозы в пределах одной цепочки связаны между собой, так же как в амилозе, а-1,4-связью. Но связь между отдельными цепочками в амилопектине осуществляется а-1,6-глюкозидны- ми связями. Ферментативный гидролиз крахмала проводится амилолити- ческими ферментами. Амилолитический комплекс солода (про- росшего зерна) состоит из а- и р-амилазы и декстриназы (олиго- а-1,6-глюкозидазы). В ферментных препаратах присутствуют а-амилаза, олиго-а-1.6-глюкозидаза и глюкоамилаза. Каждый фермент имеет свои специфические особенности, которые обус- ловливают определенные качественные характеристики получае- мых продуктов. а-Амилаза — эндофермент, гидролизующий а-1,4-связи внутри молекулы амилозы и амилопектина. Механизм действия фермента многоцепочный, неупорядоченный; в результате образуются про- дукты неполного гидролиза крахмала — а-декстрины, поэтому а-амилазу называют декстринируюшим ферментом. При дли- тельном действии а-амилазы на амилозу фермент почти полнос- тью превращает ее в мальтозу, мальтотриозу и небольшое коли- чество глюкозы. Действие а-амилазы на амилопектин приводит к образованию мальтозы и низкомолекулярных декстринов с 5—8 глюкозными остатками. Такое поведение а-амилазы обусловлено тем, что фер- мент не действует на а-1,6-глюкозидные связи в местах разветвле- ния макромолекул амилопектина. р-Амилаза — экзофермент, гидролизующий а-1,4-связи с нере- дуцирующих концов молекул амилозы и амилопектина с образо- ванием мальтозы. Она является сахарофицирующим ферментом, который не расщепляет а-1,6-связи. При совместном действии а- и р-амилаз на крахмал 95 % пре- вращается в мальтозу и 5 % — в низкомолекулярные предельные декстрины, содержащие а-1,6-глюкозидные связи В просяном и овсяном солодах содержится фермент декстрина- за, разрывающий а-1,6-глюкозидную связь в амилопектине и пре- дельных декстринах. Глюкоамилаза — экзофермент, расщепляющий как а-1.4-, так и а-1,6-глюкозидные связи. Действуя с нередуцируемых концов молекул амилозы и амилопектина, глюкоамилаза отщепляет моле- кулу глюкозы в р-форме. Основными факторами, влияющими на скорость фермента- тивных реакций, являются температура, pH, концентрация ве- ществ в субстрате и ферментов. С повышением температуры ферментативный гидролиз крахмала ускоряется, однако по до- стижении определенной температуры происходит инактивация ферментов. 32
B-Амилаза ячменного солода имеет низкую термостойкость: при нагревании до 70 °C она разрушается; тепловая инактивация данного фермента при 70 °C почти полностью завершается за несколько минут. а-Амилаза ячменного солода обладает более высокой термо- стойкостью и разрушается при температуре около 80 °C. Оптимальная температура для р-амилазы в заторе 63 °C, а для а-амилазы 70 °C. В оптимальных условиях одна молекула р-ами- лазы может гидролизовать 237 000 связей в минуту. Оптимальная температура действия глюкоамилазы микро- скопических грибов и бактерий 55—60 °C. а-Амилаза фермент- ных препаратов бактериального происхождения обладает высо- кой термостойкостью. Ее оптимальная температура действия 85-95 °C Каждый фермент имеет оптимум pH, при котором он наиболее активен; при более высоких или более низких значениях pH ак- тивность фермента снижается. Максимальная активность а-ами- лазы проявляется при pH 5,7, а р-амилазы — при pH около 4,8. При pH 2,3 и 9,7 амилазы полностью инактивируются. Оптимальная величина pH для а-амилазы микроскопических грибов составляет 4,5—5,0, для глюкоамилазы — 4,5—4,6, для бак- териальной а-амилазы — 5,0—6,0. Скорость ферментативной реакции с увеличением концен- трации фермента увеличивается, но до известного предела. До образования 75—80 % теоретического количества мальтозы (79,1—84,4 г из 100 г крахмала) реакция осахаривания протекает быстро, а затем резко замедляется: идет в 1000 раз медленнее, чем в начале расщепления. С увеличением концентрации экстрактивных веществ в субстрате ферментативный гидролиз крахмала замедляется. Это объясняется тем, что с увеличением концентрации веществ увели- чивается вязкость затора, вследствие чего затрудняется процесс диффузии между субстратом и ферментом. Гидролиз крахмала контролируют обычно по окраске, которую дают промежуточные продукты гидролиза с йодом. Окрашивание происходит в результате расположения молекул йода внутри спи- ральных витков глюкозных остатков. Цвет образовавшихся соеди- нений обусловлен длиной цепочки глюкозных остатков. Крахмал с йодом дает синее окрашивание. Близкие к крахмалу самые крупные декстрины — амилодекстрины (молекулярная мас- са 10 000—12 000) окрашиваются йодом в фиолетово-синий цвет; более мелкие декстрины — эритродекстрины (молекулярная масса 4000—7000) — в красно-бурый; самые мелкие декстрины — ахро- декстрины и мальтодекстрины (молекулярная масса 2900—3700) совершенно не окрашиваются. Сырой неоклейстеризованный крахмал расщепляется под дей- ствием амилаз, но очень медленно. Атакуемость амилолитически- 33
ми ферментами возрастает при их действии на клейстеризован- ный крахмал. Для ускорения процесса клейстеризации и раство- рения крахмала зернопродуктов целесообразно подвергать их предварительной тепловой обработке путем запаривания под дав- лением. При нагревании с водой крахмал переходит из твердого состояния в студнеобразное— он клейстеризуется. При этом про- исходит набухание крахмальных зерен (гранул) с последующим их разрывом и диспергированием. С повышением температуры клейстер начинает разжижаться, а затем становится жидким. Итак, в ходе гидролиза крахмала нужно различать три стадии: клейстеризацию, разжижение и осахаривание. Требования к ферментативному гидролизу крахмала в бро- дильных производствах различны. Так, в спиртовом производстве стремятся получить максимально возможное количество сбражи- ваемых сахаров, так как декстрины непосредственно дрожжами не сбраживаются. В условиях спиртового производства осахаривание декстринов происходит на стадии брожения, когда уже большая часть мальтозы сброжена. Этот процесс имеет большое значение с точки зрения получения наибольшего выхода спирта из крахмала. Поэтому очень важно, чтобы осахаривающие ферменты сохрани- ли свою активность до конца брожения. В пивоваренном производстве гидролиз крахмала необходимо проводить так, чтобы в сусле кроме мальтозы присутствовало оп- ределенное количество ахро- и мальтодекстринов, обусловливаю- щих полноту вкуса и вязкость пива. Для большинства сортов свет- лого пива гидролиз крахмала ведут до тех пор, пока не образуется 80—85 % сбраживаемых сахаров и 15—20 % декстринов, не окра- шиваемых йодом. 1.2.6. ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ ГИДРОЛИЗ БЕЛКОВ В спиртовой и пивоваренной промышленности важное зна- чение имеют продукты гидролиза белков. Аминокислоты и низкомолекулярные пептиды необходимы для жизнедеятельно- сти дрожжей. В пивоварении белки и продукты их гидролиза влияют на вкус, цвет, пенообразование, пенную и коллоидную стойкость пива. Белковые вещества относятся к высокомолекулярным соедине- ниям с молекулярной массой несколько миллионов и большим размером молекул. В состав белков входят углерод, азот, водород, кислород и сера, а в состав некоторых — фосфор. Все белки разделяют на две группы: протеины, или простые белки, состоящие только из остатков аминокислот, и протеиды, или сложные белки, которые являются соединением простого бел- ка с каким-либо веществом небелковой природы, называемым 34
остетической группой. Протеины в зависимости от растворимое- /!и делят на альбумины (растворимые в воде), глобулины (раство- римые в водных растворах солей), проламины (растворимые в 60—SO %-м этаноле) и глютелины (растворимые в растворах щело- чей и частично в разбавленных кислотах) Протеиды в зависимости от химической природы простетичес- кой группы разделяют на липопротеиды, содержащие жироподоб- ные вещества — липоиды; гликопротеиды, в состав которых вхо- дит какой-либо высокомолекулярный углевод; хромопротеиды, содержащие пигменты, нуклеопротеиды, содержащие нуклеино- вую кислоту. Гидролитическое расщепление белков осуществляется под дей- ствием протеолитических ферментов. По классификации Бергма- на протеолитические ферменты делятся на эндопептидазы, кото- рые могут действовать на центральные участки пептидной цепи и расщеплять молекулу белка на более мелкие фрагменты, и экзо- пептидазы, которые не гидролизуют пептидные связи, находящи- еся в середине цепи, а действуют либо с карбоксильного, либо с аминного конца цепи, отщепляя последовательно одну за другой концевые аминокислоты. Эндо- и экзопептидазы, расщепляя белок, действуют согласо- ванно: первые образуют большое число свободных концов, а вто- рые воздействуют на образовавшиеся фрагменты. Разрыв пептидной связи происходит по уравнению R-CO + NH-R] + НОО = RCOOH + H2NRb где R и R] — остатки аминокислот и пептидов. Возможно, что под действием протеолитических ферментов происходит не только гидролитический разрыв пептидных связей, но и распад белковых макромолекул на субъединицы, как распад крахмала на декстрины. Под субъединицей понимают одну поли- пептидную цепь. Схема ферментативного расщепления белков может быть представлена так: Белки -> Альбумозы -> Пептоны -> Полипептиды —> -> Пептиды и Аминокислоты. Пептоны и полипептиды обусловливают пенообразование и пеностойкость пива, а пептиды и аминокислоты используются Дрожжами как источники азотистого питания. Оптимальные условия гидролиза белковых веществ: pH 4,5—5,0; температура 45—50 °C. Данная температура наиболее благоприятна для накоп- ления низкомолекулярных фракций белков и аминокислот и на- зывается температурой пептонизации. Однако и при 60 °C также Расщепляется много белковых веществ с накоплением белковых 35
фракций, осаждаемых сульфатом аммония. Ферментативный гид- ролиз белков при 60 °C приводит к накоплению всех компонентов фракций стойкорастворимых белков, не коагулируемых при кипя- чении (альбумоз, пептонов, полипептидов и аминокислот), т е. накапливаются продукты распада, обеспечивающие ценообразо- вание. При 50 °C ферментативный гидролиз белков приводит к накоплению наибольшего количества аминокислот. До сих пор еще нет легко выполняемых способов контроля ферментативного гидролиза белков Но все же обстоятельное представление о расщеплении белков дает метод Лундина. Соглас- но этому методу растворимые азотсодержащие вещества сусла по осаждаемости танином и фосфорно-молибденовой кислотой подразделяют на три группы: фракция А — высокомолекулярные азотистые вещества (лейко- зин, эдестин, альбумозы); фракция В — среднемолекулярные азотистые вещества (пепто- ны и высшие полипептиды); фракция С — неосаждаемые азотистые вещества (низшие поли- пептиды и аминокислоты). Фракция В предназначена для пенообразования. В среднем фрак- ция А составляет 25 %, фракция В — 15, фракция С — 60 %. Для получения пивного сусла и готового пива нормального со- става большое значение имеет правильно проведенный гидролиз как крахмала, так и белков. При недостаточном распаде белков происходят резкое ухудшение органолептических свойств пива и понижение его стойкости. 1.3. СПИРТОВОЕ БРОЖЕНИЕ Возбудителями спиртового брожения являются дрожжи — од- ноклеточные микроорганизмы растительного происхождения, от- носящиеся к классу аскомицетов. 1.3.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДРОЖЖЕЙ Культурные дрожжи по культуральным и морфологическим признакам относятся к семейству Endomycetaciae, роду Saccharo- myces. Температурный оптимум для размножения дрожжей нахо- дится в пределах 25—30 °C, а минимум — 2—3 °C. При 40 °C рост прекращается и дрожжи погибают, но низкие температуры они переносят хорошо, хотя при этом не размножаются. Различают дрожжи верхового и низового брожения. В каждой из этих групп имеется несколько рас. Дрожжи верхового брожения в стадии интенсивного брожения выделяются на поверхности сбраживаемой среды в виде толстого слоя пены и остаются в таком состоянии до окончания брожения. Затем они оседают, образуя рыхлый осадок на дне бродильного аппарата. Дрожжи низового брожения, развиваясь в сбраживае- 36
ой жидкости, на поверхности не скапливаются, а по окончании йпожения быстро оседают в виде плотного осадка. Отличительным признаком дрожжей низового брожения являет- ся их способность полностью сбраживать раффинозу, тогда как боль- шинство дрожжей верхового брожения раффинозу не сбраживают и лишь некоторые из них сбраживают ее на треть. Это объясняется тем что дрожжи низового брожения содержат «-галактозидазу. По структуре различают дрожжи пылевидные и хлопьевидные. У пылевидных дрожжей на протяжении всего периода жизнедея- тельности клетки изолированы одна от другой. У хлопьевидных дрожжей клетки склеиваются между собой в результате выделения в поверхностный слой оболочки клейких веществ. Хлопьевидные дрожжи образуют хлопья и быстро оседают на дно бродильного чана (агглютинируют). Дрожжи верхового брожения являются пы- левидными, а низового брожения — хлопьевидными. Из культурных дрожжей к дрожжам низового брожения отно- сится большинство винных и пивных дрожжей, к дрожжам верхо- вого брожения — спиртовые, хлебопекарные и некоторые расы пивных дрожжей. Кроме общих свойств дрожжи, используемые в различных бро- дильных производствах, обладают специфическими свойствами, по- мимо этого в каждом производстве применяются разновидности, различающиеся одной или несколькими особенностями. Их выводят из одной клетки. Такие культуры называют расами (штаммами). В каждой отрасли используют несколько рас дрожжей, характеристика которых будет описана при рассмотрении каждого производства. 1.3.2. СТРОЕНИЕ ДРОЖЖЕВОЙ КЛЕТКИ Дрожжевые клетки бывают яйцевидной, эллипсоидальной, овальной или вытянутой формы, которая, как и их длина (6—II мкм), зависит от вида дрожжей и условий развития. Отно- шение поверхности клетки к ее объему влияет на скорость массо- обменных процессов между клеткой и питательной средой и, сле- довательно, на интенсивность жизнедеятельности дрожжей. Почкующаяся дрожжевая клетка (рис. 1.8) состоит из оболоч- ки, протоплазмы и ядра. Наружная часть оболочки образована полисахаридами типа гемицеллюлоз, преимущественно маннаном и небольшим количеством хитина, внутренняя — белковыми ве- ществами, фосфолипидами и липоидами. Оболочка регулирует состояние клеточного содержимого и имеет избирательную про- ницаемость, чем существенно отличается от обычных полупроница- емых мембран. Толщина клеточной стенки дрожжей до 400 нм. Цитоплазматическая мембрана (плазмалемма) толщиной 7—8 нм расположена под клеточной стенкой и отделяет ее от цитоплазмы. 11лазмалемма — основной барьер, определяющий осмотическое дав- ление в клетке, обеспечивает избирательное движение питатель- ных веществ из среды в клетку и вывод метаболитов из клетки. 37
1 — вакуоль 2 — пласти- ды; 3 — жир, 4— про- топлазма; 5 —оболочка; 6 — ядро; 7 — волютин; 8— гликоген 9 — хонд- риосомы Плазмалемма состоит из бимолекулярного слоя липидов, в который включены белковые молекулы. Липиды ориентированы неполяр- ными концами внутрь друг к другу, а поляр- ными — наружу. Перемещение веществ через цитоплазма- тическую мембрану происходит вследствие молекулярной диффузии (по градиенту кон- центрации) и в результате активного движе- ния, в котором участвуют специфические ферменты, и в этом случае вещества могут поступать в клетку и против градиента кон- центрации. Например, аминокислоты легко Рис. 1.8. Почкующаяся проникают в клетку из среды, даже если их дрожжевая клетка: концентрация в цитоплазме в 100—200 раз выше, чем в питательной среде. Цитоплазма имеет гетерогенную структу- ру и вязкую консистенцию. Коллоидный ха- рактер ее обусловлен белковыми вещества- ми. Кроме них в цитоплазме содержатся рибозонуклеопротеиды, липоиды, углеводы и значительное коли- чество воды. Цитоплазма молодых клеток внешне гомогенна. При старении в ней появляются вакуоли, равномерная зернистость, жировые и липоидные гранулы. В цитоплазме с ее органоидами (хондриосомами, микросомами, вакуолями) и включениями про- текают важнейшие ферментативные процессы. Митохондрии (хондриосомы) имеют форму зернышек, палочек или нитей. Митохондриальные мембраны состоят из белков (80 %) и липидов (20 %) В состав митохондрий входят также полифосфа- ты, рибонуклеиновая (РНК) и дезоксирибонуклеиновая (ДНК) кислоты. Митохондрии размножаются самостоятельно, реплици- руя собственную митохондриальную ДНК и продуцируя собствен- ные белки. Питательные вещества, проникающие в клетку, адсор- бируются и аккумулируются хондриосомами и подвергаются быст- рым превращениям в результате концентрации в этих участках клетки соответствующих ферментов. В митохондриях полностью осуществляются цикл трикарбоновых кислот и важнейшая энерге- тическая реакция — окислительное фосфорилирование. Поэтому их рассматривают как основную «силовую станцию» клетки. Здесь же происходят реакции активирования аминокислот в процессе синтеза белка, липидов и других соединений. Микросомы (рибосомы) представляют собой включения в виде субмикроскопических зернышек, состоящих из липидов, белков и РНК, которые обеспечивают синтез белков за счет активированных аминокислот, поступающих из митохондриальной системы. Ядро — небольшое шаровидное или овальное тело, окруженное цитоплазмой и нерастворимое в ней. В ядре в виде включений обо- собленно расположены ДНК и ее протеид (ДНКА), а также боль- 38
ое количество РНК. ДНК способствует передаче наследственной нф рмапии, сохранению свойств микроорганизмов. В ядре осу- ществляется транскрипция (синтез молекул информационных РНК путем считывания информации с ДНК с помощью фермента РНК- полимеразы), а также репликация ДНК при делении клетки. Обязательный органоид клетки вакуоли — полости, наполненные клеточным соком и отделенные от цитоплазмы вакуолярной мембра- ной. Форма вакуолей изменяется вследствие движения и контракции цитоплазмы. Вакуоль в молодых клетках состоит из множества мел- ких полостей, в старых — из одной очень большой. Клеточный сок представляет собой водный раствор различных солей, углеводов, белков, жиров и ферментов. В вакуолях сосредоточиваются различ- ные соединения, которые подвергаются ферментативным превраще- ниям и образуют продукты жизнедеятельности и отбросы. В молодых дрожжевых клетках жира обычно нет, в зрелых он содержится лишь в немногих клетках в виде мелких капель, а в старых — в виде крупных. Гликоген — запасное питательное вещество дрожжей, накаплива- ющееся при культивировании дрожжей на средах, богатых сахаром. При недостатке гликоген быстро расходуется. В молодых клетках гликогена мало, в зрелых — значительное количество (до 40 %). По внешнему виду клеток можно определить физиологическое состояние дрожжей. В производственных средах одновременно при- сутствуют молодые, зрелые, почкующиеся, старые и отмершие клет- ки. Наибольшей бродильной энергией обладают зрелые клетки. 1.3.3. МЕТАБОЛИЗМ ДРОЖЖЕВОЙ КЛЕТКИ Для развития, роста и размножения дрожжевая клетка нуждает- ся в питательных веществах, растворимых в воде. Цитоплазмати- ческая мембрана пропускает питательные вещества в клетку и препятствует их возвращению в среду. Вода свободно проникает в клетку и уходит из нее. В водных растворах с небольшой концен- трацией веществ всегда устанавливается некоторый приток воды в клетку. Вода создает давление внутри клетки, и протоплазма ока- зывается плотно прижатой к эластичным внутренним стенкам клетки. При таком состоянии, называемом тургором, все процес- сы обмена в дрожжевой клетке протекают быстро. Питательные вещества под действием ферментов клетки включаются в различ- ные процессы обмена. Основными процессами, характеризующими жизнедеятельность дрожжей, являются ассимиляция и диссимиляция. При ассимиляции клетка перерабатывает питательные вещества в соединения, используемые для синтеза. Диссимиляция представляет собой процесс преобразования и распада веществ в организме, кото- рый сопровождается выделением энергии. Эта энергия используется в процессе синтеза и поддержания жизнедеятельности клетки. Дрожжи, развиваясь на сахаросодержаших средах без доступа воздуха, осуществляют сбраживание глюкозы до этанола и СО2. 39
Процесс аэробного дыхания, при котором сахар окисляется до СО2 и воды, протекает в присутствии воздуха. Оба процесса явля- ются экзотермическими, с выделением теплоты. При спиртовом брожении в дрожжевой клетке энергии выделяется в 22 раза мень- ше, чем при дыхании. Сбраживание глюкозы дрожжами является анаэробным процессом, хотя сами дрожжи — аэробные микроор- ганизмы. В анаэробных условиях брожение протекает интенсив- но, но роста дрожжей почти не наблюдается. При доступе воздуха брожение ослабевает и интенсифицируются дыхание и размноже- ние дрожжей. При хорошей аэрации спиртовое брожение почти прекращается. Подавление спиртового брожения кислородом на- зывают эффектом Пастера. При аэробном дыхании дрожжи полу- чают необходимую энергию при меньшем расходе сахара, что под- тверждается приведенными ниже уравнениями. 1.3.4. ХИМИЗМ ПРОЦЕССОВ БРОЖЕНИЯ Наиболее важные для промышленного использования спиртовое, молочнокислое и маслянокислое виды брожений. Каждый из этих видов брожения можно суммарно выразить уравнением реакции спиртовое брожение CgH12Og = 2С2Н5ОН + 2СО2 +118 кДж; молочнокислое брожение CgH12O6 = 2СН3СНОНСООН + 94 кДж; маслянокислое брожение CgH12Og = СН3СН2СН2СООН + 2СО2 + + 2Н2 + 63 кДж. По этим уравнениям можно судить о начальных и конечных продуктах брожения, но нельзя выяснить образование ряда про- межуточных продуктов при брожении, последовательность и взаимосвязь отдельных реакций Эти три типа брожения являются основными. Они связаны между собой и с реакциями при нормальном кислородном (аэроб- ном) дыхании, которое можно выразить уравнением С6Н12О6 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2О + 2822 кДж. Химизм брожения изучали многие ученые (Л. А. Иванов, А. Гарден, С. П. Костычев, К. Нейберг, А. Н. Лебедев, Г. Эмбден, Я. О. Парнас и О. Мейергоф). Л. А. Иванов и А. Н. Лебедев уста- новили, что в процессе брожения важную роль играет фосфорная кислота. Она содержится в дрожжах и во многих живых организ- мах в виде кислот: аденозинмонофосфорной (АМФ), аденозинди- фосфорной (АДФ) и аденозинтрифосфорной (АТФ). Эти кислоты легко отщепляют фосфорную кислоту. 40
Весь процесс брожения (спиртового, молочнокислого, масля- нокислого) можно условно разделить на этапы. Первый этап — образование фосфорилированных сахаров. Мо- лекула глюкозы (или другой гексозы) под действием фермента гек- сокиназы (2.7.1.1) присоединяет остаток фосфорной кислоты от аденозинтрифосфата, причем образуются аденозиндифосфат и глю- копиранозо-6-фосфат, который под действием фермента глюкозо- фосфатизомеразы превращается во фруктофуранозо-6-фосфат. Пос- ледний при участии фермента фосфофруктокиназы присоединяет еше один остаток фосфорной кислоты от новой молекулы адено- зинтрифосфата. В результате этой реакции образуются еще одна молекула аденозиндифосфата и фруктофуранозо-1,6-дифосфат. I этап брожения Н с^-он н—с-он I но-с-н I о н— с -он I н-с------- I сн2он глюкоза н с-он 1'^^, н—с-он но-с—н I О ------1 н—с-он I н—с----- СН2ОРО3Н2 глюкопиранозо- -6-фосфат СНэОН I СН2ОРО3Н2 с-он с-он но—с—н но-с-н н— С —он ? *- н—С-он ? н—с н-с СН2ОРО3Н2 СН2ОРО3Н2 фруктофуранозо - -6-фосфат фруктофуранозо -1,6-ди фосфат 41
Далее фруктофуранозо-1,6-дифосфат под действием фермен- та альдолазы (4.1.2.7) обратимо распадается на 3-фосфоглице- риновый альдегид и фосфодиоксианетон, которые могут пре- вращаться друг в друга под действием фермента триозофосфат- изомеразы (5.3.1.1). II этап брожения СН2ОРОзН2 С—ОН НО—С— Н^1 I ! н—с—ОН о- ______I I CH2OPO3H2 фруктофура! юзо- -1,6-дифосфат СН2ОРО3Н2 *-Н—С—ОН + СНэОН с=о I CH2OPO3H2 3-фосфоглицериновый альдегид фосфодиокси- ацетон Дальнейшему превращению в процессе брожения подвергает- ся 3-фосфоглицериновый альдегид. По мере его использования образовавшийся фосфодиоксиацетон под действием триозофос- фатизомеразы образует новые количества 3-фосфоглицериново- го альдегида. Затем фосфоглицериновый альдегид присоединяет еще один остаток фосфорной кислоты за счет неорганического фос- фора с образованием 1,3-дифосфоглицеринового альдегида, который под действием фермента дегидрогеназы фосфогли- цериновый альдегид превращается в 1,3-дифосфоглицериновую кислоту. 1,3-Дифосфоглицериновая кислота под действием фермента фосфотрансферазы отдает остаток фосфорной кислоты молекуле АДФ, причем образуются АТФ и 3-фосфоглицериновая кислота. Последняя под действием фермента фосфоглицеромутазы превра- щается в 2-фосфоглицериновую кислоту. 42
Ill этап брожения СН2ОРО3Н2 СН2ОРО3Н2 н—с-он _______► н—с-он I । /ОН сС сн< н ОРО3Нэ 3-фосфоглицериновый 1,3-дифосфоглицериновый альдегид альдегид СН1ОРО3Н2 I -э-Н-С-ОН - СОРО3Н2 II о 1,3-дифосфоглицериновая кислота СН2ОРО3Н2 ^н-с-он I с—он II о 3-фосфоглицериновая кислота СН2ОН *- н— С-ОРО3Н2 с—он II о 2-фосфогл ице риновая кислота 2-Фосфоглицериновая кислота под действием фермента фосфопируватгидратазы — енолазы (4.2.1.11) образует фосфо- енолпировиноградную кислоту, которая передает остаток фос- форной кислоты молекуле АДФ, при этом образуются АТФ и молекула енолпировиноградной кислоты, которая, разлагаясь, превращается в пировиноградную кислоту. IV этап брожения СН2ОН сн2 II СОРО3Н2 * 1 сн2 II с-он . 1 сн3 Н-СОРО3Н2 с=о С—ОН II О с—он II О с-он II О с—он II О 2-фосфоглицериновая кислота фосфоенол- пировиноградная кислота енолпиро- виноградная кислота пировиноград- ная кислота 43
Пировиноградная кислота является промежуточным продуктом брожения, дальнейшие превращения которого приводят к тому или иному процессу — спиртовому, молочнокислому брожениям или аэробному дыханию. При спиртовом брожении пировино- градная кислота под действием фермента пируватдекарбоксилазы превращается в уксусный альдегид и диоксид углерода СН3СОСООН -> СН3СНО + СО2. Уксусный альдегид восстанавливается в этанол под дейст- вием фермента алкогольдегидрогеназы, коферментом (актив- ной группой) которого является никотинамидадениндинук- леотид (НАД). НАД при этом окисляется в свою восстановлен- ную форму НАД-Hz. Таким образом, распад сахара при спиртовом брожении можно представить так: Сахар —> фосфорные эфиры гексоз —> фосфотриозы -» фосфо- глицериновая кислота -» пировиноградная кислота -» уксус- ный альдегид + СО2 -> этанол При молочнокислом брожении пировиноградная кислота пре- вращается в молочную кислоту под действием фермента лактатде- гидрогеназы (1.1.1.27): СН3СОСООН + 2Н -> СН3СНОНСООН. При маслянокислом брожении образующийся из пировино- градной кислоты уксусный альдегид вступает в реакцию альдоль- ной конденсации и получается ацетальдоль, который в дальней- шем превращается в масляную кислоту. При аэробном дыхании пировиноградная кислота окисляется до диоксида углерода и воды. Этанол и диоксид углерода — главные продукты спиртового бро- жения. Кроме них в небольших количествах образуются вторичные и побочные продукты брожения: вторичные продукты — из сахара, побочные — из других веществ, находящихся в сбраживаемой сре- де, главным образом из аминокислот. К вторичным продуктам спиртового брожения относятся глицерин, уксусный альдегид, ук- сусная, янтарная, молочная и лимонная кислоты, ацетон, 2,3-бути- ленгликоль, ацетоин и диацетил; к побочным — высшие спирты: пропанол, изобутанол, изопентанол и др. Однако известно, что ян- тарную и молочную кислоты получают из сахара и из глутаминовой кислоты и аланина, высшие спирты также образуются из сахара и аминокислот. Поэтому вторичные и побочные продукты спиртово- го брожения строго разграничить невозможно. 44
Образование высших спиртов. Высшие спирты могут образовы- ваться из аминокислот путем дезаминирования (отщепления группы NH3) и декарбоксилирования (отщепления С02) с присое- динением воды. Так, например, из лейцина образуется изоамилол по уравнению сн3 I сн—СНэ —сн—СООН + НэО сн3/ I - NH3 лейцин СНзч I сн —сн2 — СН2ОН + NH3 + со2 сн3 изоамилол Аналогично из изолейцина образуется амидол, из валина — изобутанол, из тирозина — тирозол. Образование высших спиртов по приведенной схеме, предло- женной Эрлихом, является самостоятельным процессом, не свя- занным со спиртовым брожением. Однако образование высших спиртов без спиртового брожения гексоз не происходит. Это объясняется тем, что дезаминирование аминокислот является эн- дотермическим процессом, требующим притока энергии извне за счет какого-либо другого процесса, в данном случае за счет спир- тового брожения гексоз. Однако следует отметить, что при обра- зовании высших спиртов аммиак не обнаружен. Можно предпо- ложить, что аммиак, отщепляющийся при образовании высших спиртов из аминокислот, связывается с пировиноградной кисло- той — промежуточным продуктом спиртового брожения, и обра- зуется аминокислота (аланин). Но этот процесс самостоятельно протекать также не может, поскольку он эндотермический. Таким образом, схема Эрлиха не может объяснить самостоятельное обра- зование высших спиртов из аминокислот и синтез новых амино- кислот в дрожжах. Образование высших спиртов по схеме И. Я. Веселова мож- но объяснить исходя из теории переаминирования аминокис- лот, которую разработали советские биохимики А. Е. Браун- штейн и М. Г. Крицман. Согласно этой теории образование но- вых аминокислот сводится к переносу аминной группы пере- страиваемой аминокислоты на образовавшуюся при каком-либо процессе кетокислоту минуя стадию образования из аминной группы аммиака. 45
Образование высших спиртов из сахара можно представить в следующем виде. В процессе спиртового брожения глюкоза распа- дается до пировиноградной кислоты. Основное ее количество рас- ходуется на образование этанола, а очень незначительная доля конденсируется с ацетил коферментом А (ацетил-КоА), образуя ацетомолочную кислоту. В дальнейшем ацетомолочная кислота претерпевает ряд превращений, в результате чего образуется изо- бутанол. При конденсации сх-кетоизовалериановой кислоты с аце- тил-ЛЬЛ образуется сх-кетоизокапроновая кислота, которая, декар- боксилируясь, восстанавливается в изопентанол. Рассмотренные пути образования высших спиртов как из аминокислот, так и из сахара не противоречат друг другу. Оче- видно, одна часть высших спиртов образуется из аминокислот, а другая — из сахара. Образование эфиров. При помощи эстераз дрожжей протека- ют реакции этерификации, в которых участвуют спирты и кисло- ты. В общем виде реакция этерификации выглядит так RCH2OH + R[COOH -> RCOOCH2R! + Н2О. Образование эфиров протекает быстрее, когда в этой реак- ции участвуют альдегиды. Последние легко подвергаются окисли- тельно-восстановительным превращениям и способствуют полу- чению кислот, спиртов и эфиров. При этом эти превращения мо- гут протекать без затрат энергии Образование эфиров из альдегидов может происходить по уравнению RCHO + HOCR, -> RCOOCH2R,. Получаемые при этом вторичные и побочные продукты брожения участвуют в формировании аромата и вкуса готовых продуктов. Так, при производстве этанола они влияют на органолептические показа- тели. Кроме того, некоторые примеси являются ядовитыми. Мета- нол и пропанол при небольшом содержании не влияют на органо- лептическую оценку, однако обладают высокой токсичностью. Ме- танол вызывает тяжелое отравление, сопровождающееся потерей зрения, возможен и летальный исход. Фурфурол при малых концен- трациях придает приятный аромат ржаному хлебу, но также токси- чен. Поэтому в ректификованном спирте содержание обеих приме- сей (метанола и фурфурола) не допускается. Присутствие спиртов, содержащих четыре и более атомов углерода, ухудшает вкус и запах этанола. Бутанол и пентанол имеют сивушный запах и жгучий вкус, гексанол — запах и привкус прогорклого масла. Все они ядовиты. Альдегиды (муравьиный, уксусный, пропионовый, масляный, валериановый) придают спирту резкий привкус и горечь. Особен- но неприятный запах и жгучий вкус обусловливают непредельные соединения — акролеин и кротоновый альдегид. Напротив, энан- 46
товый альдегид способствует появлению приятного аромата. Ди- ацетил (6 мг/дм3) в зернокартофельном спирте вызывает жгучий вкус и запах, характерные для мелассного спирта Из кислот только уксусная кислота в небольших количествах придает спирту прият- ный вкус. Другие кислоты ухудшают органолептические свойства спирта. Муравьиная кислота придает ему резкий привкус, пропи- оновая — горечь, валериановая — неприятный запах и горечь. Ди- этиловый эфир в небольших количествах усиливает запах спирта, муравьино-этиловый и уксусно-этиловый эфиры смягчают вкус. Эфиры с большим числом атомов углерода сообщают спирту не- свойственный ему фруктовый или цветочный запах. Метил- и этил- амины, меркаптаны вызывают неприятные запах и вкус. Ряд при- месей влияет на пробы этанола, на окисляемость с серной кислотой. Ничтожно малое содержание акролеина и кротонового альдегида приводит к резкому ухудшению пробы на окисляемость, а 0,0005%-е присутствие их в ректификованном спирте делает нестандартной пробу с серной кислотой. Аналогично действует и диацетил. Вторичные и побочные продукты брожения оказывают боль- шое влияние и на качество пива. Все высшие спирты (пропанол, изобутанол, изоамилол, амидол, тирозол, триптофол) обладают характерным запахом и дают сложные эфиры, которые имеют приятные, смягченные запахи, влияющие на образование арома- та и вкуса пива. Во время брожения пивного сусла образуются С4-соединения: ацетон, диацетил и 2,3-бутиленгликоль. Диаце- тил — нежелательный компонент, придающий пиву характерные медовый запах и привкус. Он образуется дрожжами в начале бро- жения на стадии интенсивного размножения. В стадии дображи- вания и созревания пива количество диацетила уменьшается, так как с изменением условий он восстанавливается в ацетоин. Но ацетоин может быть причиной подвального, затхлого привкуса пива. В готовом пиве содержание диацетила 0,2—0,6 мг/дм3 и аце- тоина до 1 мг/дм3 считается нормальным. Затхлый привкус появ- ляется при содержании ацетоина от 2,3 до 5,3 мг/дм3. Все технологические приемы, сопровождающиеся переходом анаэробного процесса в аэробный, приводят к образованию ди- ацетила. Дрожжи в стадии активного размножения обладают спо- собностью восстанавливать диацетил в 2,3-бутиленгликоль, кото- рый в отличие от диацетила не придает пиву неприятного запаха. Наличие сбраживаемого сахара повышает способность дрожжей восстанавливать диацетил. Процессы, протекающие при дображивании, приводят к изме- нению концентрации некоторых продуктов брожения, в результа- те чего их содержание в готовом продукте доводится до необходи- мого, что улучшает вкус и аромат пива. При дображивании снижа- ется содержание альдегидов, диацетила, ацетоина на 30—50 %, со- кращается содержание некоторых высших спиртов, возрастает количество эфиров.
Глава 2 ОСНОВНОЕ СЫРЬЕ БРОДИЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ В бродильном производстве основным является растительное сы- рье. В зависимости от того, какой основной углевод содержится в сырье, виды сырья подразделяются на крахмал содержащие — зерно- вые культуры, картофель, сахарсодержащие — меласса и виноград. К растительному сырью предъявляются следующие требова- ния: оно должно ежегодно производиться в необходимом количе- стве, достаточном для промышленной переработки; иметь вы- сокое содержание углеводов и хорошо сохраняться. К основному сырью в бродильном производстве относят также хмель и воду. 2.1. ЗЕРНОВЫЕ КУЛЬТУРЫ На спиртовых заводах перерабатывают пшеницу, ячмень, ку- курузу, овес, просо, рожь и тритикале. Основным сырьем для производства пива является ячмень, а также в небольших коли- чествах рис, кукуруза и тритикале. В произ- водстве кваса используют рожь, ячмень и ку- курузу. Зерно злаков состоит из трех основ- ных частей: зародыша, эндосперма и оболо- чек (рис. 2.1). Различают голозерные (беспленчатые) и пленчатые культуры. У голозерных культур (пшеница, рожь, кукуруза, тритикале) при обмолоте цветочные пленки остаются на колосе, а зерно снаружи покрыто только плодовыми оболочками; у пленчатых (про- со, овес, ячмень, рис) — на зерне поверх плодовых оболочек. Соотношение отдель- ных частей зерна различных культур при- ведено в табл. 2.1. Рис. 2.1. Продольный разрез зерна ячменя: 7 — алейроновый слой; 2 — семенная оболочка; 3— плодовая обо- лочка; 4— цветочная пленка; 5 —эндосперм; 6— зародыш 48
Химический состав. Зависит от культуры и сорта зерна, почвен- но-климатических условий, агротехники, срока и условий хране- ния и других факторов. В среднем зерно состоит из 14—15 % вла- ги и 85—86 % сухих веществ. Средний химический состав зерна злаков представлен в табл. 2.2. Сахара зерна представлены сахарозой, раффинозой, глюкозой и фруктозой. В спиртовом производстве содержание в зерне (а также в кар- тофеле) крахмала и сахаров называют крахмалистостью. Содержание белков в зерновых культурах колеблется от 7 до 25 % Наибольшее содержание белков в зернах пшеницы и трити- кале, наименьшее — в зернах риса и кукурузы. Как правило, содержание крахмала и белков в зерне находится в обратной зависимости. Чем больше белков в зерне, тем меньше содержание крахмала. Содержание пектиновых веществ в зерне незначительно. В зер- нах злаков содержатся также витамины, микроэлементы, фермен- ты, гидролизующие углеводы, белковые вещества, целлюлозы, ге- мицеллюлозы и др. Таблица 2.1 Соотношение частей зерна различных культур, мае. % Культура Эндосперм Цветочные оболочки Плодовые и семенные оболочки Алейроновый слой Зародыш Пшеница 83-85 0 4-7 7-10 1,5-3,0 Рожь 70-75 0 11-15 11-12 2,5-3,5 Ячмень 65-68 7-18 5-7 11-13 2,5-5,0 Овес 61-65 23-45 2,5-4,0 4-6 3-4 Кукуруза 61-77 0 7-14 7-9 8-15 Тритикале 80-83 0 7-9 9-11 2-3 Таблица 2.2 Средний химический состав зерна злаков, % на СВ Культура Крахмал Сахароза Целлю- лоза Гемицел- люлоза и другие углеводы Белки Жир Минераль- ные веще- ства Пшеница 60 4,3 2,8 8,0 16 1,9 2,2 Кукуруза 70 3,0 2,1 7,0 10 4,6 2,0 Рожь 65 5,0 2,2 10,0 13 1,7 1,3 Овес 45 2,0 14,0 13,0 12 5,5 3,8 Ячмень 55 40 6,0 11,0 12 2,0 3,5 Рис 63 3,6 12,0 1,5 7 2,3 6,0 Просо 58 3 8 11.0 2,0 12 4,6 4,0 Тритикале 62 4,7 2,7 8,3 14 1,7 1,8 49
Требования к качеству зерна в спиртовом производстве. Спирто- вая промышленность перерабатывает зерно по двум направлени- ям: на солод для осахаривания крахмала, для водно-тепловой об- работки и дальнейшей переработки. Для производства солода применяют ячмень, овес, просо, рожь и тритикале. В здоровом состоянии зерно этих культур не греется и имеет цвет и запах, свойственные нормальному зерну. Требования к качеству зерна, используемого на солод, указаны в табл. 2.3. Таблица 2.3 Требования к качеству зерна, используемого на солод Показатель Рожь Ячмень Овес Просо Тритикале Влажность, %, не более Содержание сорной при- меси, %, не более В том числе: вредная гелиотроп опушенно- плодный и триходес- ма седая Содержание зерновой примеси, %, не более Энергия прорастания, %, не менее Зараженность вредителя- ми хлебных запасов 15,5 15,5 16,0 15,0 15,5 2,0 2,0 2,0 3.0 2,0 0,2 0,2 0.2 0,2 0,2 Не допускается 3,0 3,0 3,0 4,0 3,0 92 92 90 86 92 Не допускается, кроме зараженности клещом не выше 1 степени Для водно-тепловой обработки качество зерна не регламенти- руется. Для получения спирта высокого качества с максимальным выходом желательно использовать здоровое зерно с высокой крах- малистостью. Иногда перерабатывают и дефектное зерно. Разли- чают четыре степени дефектности зерна: первая — зерно с солодовым запахом; вторая — зерно с плесенно-затхлым запахом; третья — зерно с гнилостно-затхлым запахом и заметным про- цессом разложения; четвертая — зерно с изменившейся почерневшей оболоч- кой, которое подвергалось самосогреванию при высокой тем- пературе. Требования к качеству ячменя для пивоварения. В России распространен главным образом яровой ячмень. Ячмень для пивоварения в зависимости от качества делится на два класса в соответствии с требованиями и нормами, указанными в табл. 2.4. 50
Таблица 2.4 Требования к качеству ячменя для пивоварения Показатель Норма для класса первого второго Светло-жел- Светло-жел- Цвет тый или жел- тый тый, желтый или серовато- желтый Запах Свойственный нормальному зерну ячменя (без затхлого запаха солода, плесенного и без посторонних запахов) Состояние Здоровый, негреющийся Влажность, %, не более 15,0 15,5 Содержание белка, %, не более 12,0 12,0 Содержание сорной примеси, %, не более В том числе: 1.0 2,0 вредная 0,2 0,2 гелиотроп опушенноплодный и триход ее ма седая Не допускается Содержание зерновой примеси, %, не более 2,0 5,0 Содержание мелких зерен, %, не более 5,0 7,0 Крупнота, %, не менее 85,0 60,0 Энергия прорастания, %, не менее (для зерна, поставляемого не ранее чем за 45 дней после его уборки) 95,0 90,0 Жизнеспособность, %, не менее (для зерна, по- ставляемого ранее чем за 45 дней после его уборки) 95,0 95,0 Зараженность вредителями хлебных запасов Не допускается, кроме зара- женности клещом не выше I степени Наилучшие сорта пивоваренного ячменя имеют пленчатость не более 10 %, содержание крахмала не менее 60 %, а экстрактив- ность не ниже 75 % на сухое вещество. Хранение. Различают три основных способа хранения зерна в хранилищах: напольное, в закромах и силосах. При напольном хранении зерно размещают насыпью или в таре непосредственно на полу зернохранилища. Закромный спо- соб характеризуется тем, что зерно хранится в отгороженном мес- Iе зернохранилища в ящике с разборными стенками высотой ’->~2,5 м. Наиболее распространен силосный способ Силос — то емкость прямоугольной, квадратной или круглой формы, у ко- торой высота стен в 1,5 и более раза больше, чем размеры в плане, Дно, как правило, конусное. Силосы оборудованы механизмами 51
для приема, перемещения, взвешивания, очистки и сортирования зерна, вентиляционными и аспирационными установками. Сило- сы строят из железобетона высотой 20—35 м и диаметром 6—9 м. Зимой температура хранения зерновой массы равна температуре наружного воздуха или превышает ее не более чем на 2—3 °C. Летом температура в массе зерна не должна превышать 20 °C. Различают хранение зерновой массы в сухом и охлажденном со- стояниях, при усиленном обмене воздуха в межзерновом про- странстве. Жизнедеятельность зерна зависит от его влажности и температуры. Влажность зерна, при которой в клетках появляется свободная влага и в зерне отмечается резкое усиление дыхатель- ных процессов, называется критической. Величина критической влажности у зерновых культур различна и находится в следующих пределах (%): у ячменя, ржи, пшеницы, тритикале 14,5—15,5; ку- курузы 13—14; проса 12—13. Зерно влажностью 14,0—15,5 % не содержит свободной влаги, поэтому энергия дыхания его незначительна. Такое зерно может храниться длительное время высоким слоем. Влажное зерно (бо- лее 16,0%) отличается повышенной энергией дыхания. Такое зерно перед закладыванием на хранение подсушивают, охлажда- ют или промораживают. Подсушивание зерна проводят при тем- пературе не выше 40—45 °C, чтобы не повредить всхожесть. Сис- тематически при хранении проверяют температуру и влажность зерновой массы, чтобы предотвратить самосогревание. Для под- держания необходимых условий зерно перекачивают из силоса в силос или активно вентилируют, если температура или влаж- ность повышаются. 2.2. КАРТОФЕЛЬ Картофель принадлежит к семейству пасленовых и относится к группе корнеплодов. Это лучший вид сырья для производ- ства спирта. Из картофеля с 1 га посевной площади получают в 2—3 раза больше крахмала, а следовательно, и спирта по сравне- нию с зерном. При переработке картофеля получают более высо- кий выход спирта, чем из крахмала зерна. Химический состав. Зависит от сорта, способов возделывания, почвенно-климатических условий, длительности и условий хране- ния. Средний химический состав картофеля (%): вода — 76,0; су- хие вещества — 24,0, в том числе крахмал — 17,9, сахара —0,8; пентозаны и пектиновые вещества — 1,5; целлюлоза — 1,0; азотис- тые вещества — 2,0; карбоновые кислоты — 0,6; жир — 0,1, мине- ральные вещества— 1,0; прочие —0,6. Содержание крахмала в картофеле колеблется в широких пре- делах (от 8 до 30 %). Из сахаров в картофеле содержатся сахароза, глюкоза и фруктоза. 52
Азотистые вещества картофеля представлены белками, ами- нокислотами, амидами и азотистыми основаниями. Отноше- н белкового азота к небелковому в клубнях обычно составля- ет 2:1 или 1:1. Клеточный сок картофеля имеет слабокислую реакцию (pH с 6—6,2), обусловленную наличием карбоновых кислот (лимонной, яблочной, щавелевой). В картофеле содержатся витамины. Требования к качеству. Согласно ГОСТ 6014 качество картофе- ля поставляемого на завод, характеризуется следующими пока- зателями: клубни должны быть здоровыми, сухими, размером по наибольшему поперечному диаметру не менее 30 мм. Содержа- ние клубней с механическими повреждениями должно быть не более 2 %, мелких (по наибольшему поперечному диаметру от 20 до 30 мм) — не более 5 %; наличие прилипшей к клубням зем- ли _ не более 1,5 %. Не допускаются клубни раздавленные, под- мороженные и мороженые, пораженные мокрой, кольцевой и пуговичной гнилью. Содержание клубней, пораженных сухой гнилью, фитофторой и железистой пятнистостью, должно быть не более 2 %. Наличие соломы, ботвы и других посторонних при- месей не допускается. Хранение. Картофель хранят в буртах и траншеях при темпера- туре 2—4 °C, влажности воздуха 80—85 % при аэробных условиях. Для этого необходимо регулярное вентилирование, так как даже кратковременное пребывание картофеля в анаэробных условиях приводит к его порче. 2.3. СВЕКЛОСАХАРНАЯ МЕЛАССА Свеклосахарная меласса является вторичным продуктом свек- лосахарного производства. Выход ее составляет 3—5 % от массы переработанной свеклы. Меласса представляет собой темно-ко- ричневый сиропообразный продукт с относительной плотностью 1,35—1,40. Мелассу используют в качестве основного сырья для получения этанола, хлебопекарных дрожжей, глицерина, молоч- ной и лимонной кислот. Химический состав Состав мелассы зависит от качества свеклы, поступающей на сахарный завод, длительности ее хранения и ус- ловий переработки. Средний химический состав мелассы (%): вода — 18—25; сухие вещества — 75—82, в том числе сахароза — 50, инвертный сахар — 0,4—1,5, раффиноза — 0,5—3,0; азотсо- держащие вещества— 1,2—2,2; минеральные вещества — 7,0—8,5; несахара — 16,8—20,9. Доброкачественность мелассы 55—62 % (это отношение сахара к общему содержанию сухих веществ, выражен- ное в процентах). Основная масса азотистых веществ представлена бетаином и минокислотами. Содержание белкового, амидного и минераль- 53
ного азота в мелассе незначительно. Дрожжи полностью усваивают аминокислоты и амиды кислот, а бетаин лишь на 5 %. Поэтому из общего азота мелассы дрожжами потребляется лишь 30—35 %. В мелассе содержатся такие органические соединения, как ме- ланоидины, карамели, фурфурол, гуминоподобные вещества, кар- боновые кислоты (муравьиная, уксусная, щавелевая и др.) и их соли, которые угнетающе действуют на дрожжи. Для мелассы характерна высокая зольность. Минеральные соеди- нения представлены солями калия, натрия, магния, железа, алюми- ния, угольной, серной и других кислот. Фосфор в мелассе находится в незначительном количестве. В мелассе содержатся витамины В1; В2, Be, РР, пантотеновая и фолиевая кислоты, биотин. Свежая меласса имеет щелочную реакцию, но под воздействием микроорганизмов приобретает кислую реакцию. Микрофлора ме- лассы многочисленна, разнообразна и изменчива. Она представле- на бактериями, дикими дрожжами и дрожжеподобными грибами. В 1 г нормальной по качеству мелассы содержится от 1000 до 10 000 микробных клеток. В натуральной мелассе с содержанием сухих ве- ществ 75—82 % микроорганизмы содержатся в нежизнедеятельном, плазмолизированном состоянии. Но при разбавлении мелассы во- дой они начинают активно размножаться, потребляя сахар и накап- ливая продукты метаболизма, которые угнетают жизнедеятельность культурных микроорганизмов, что приводит к снижению выхода и качества получаемой готовой продукции. Поэтому инфицирован- ную мелассу подвергают обеззараживанию. Требования к качеству. Нормальная меласса должна содержать (%): сухих веществ не менее 75, сахаров не менее 45, инвертного са- хара не более 0,5, общего азота не менее 1,3, диоксида серы не более 0,05, пеногасителей не более 0,5; иметь pH не ниже 6,8, цветность не более 2 см3 раствора йода концентрацией 0,1 моль/дм3 на 100 см3 1%-го раствора мелассы, обсемененность не более 10000 клеток в 1 г мелассы. Меласса, не отвечающая указанным требованиям, является неполноценной. В зависимости от вида дефекта выбирают соответ- ствующий технологический режим ее переработки. Хранение. Мелассу транспортируют на заводы в железнодорож- ных или автомобильных цистернах, из которых ее сливают в при- емные сборники, взвешивают и перекачивают в закрытые ци- линдрические стальные резервуары вместимостью 500—5000 т на хранение. Дефектную мелассу хранят отдельно и перерабатывают в первую очередь 2.4. ВИНОГРАД Виноград относится к роду деревянистых растений — лиан се- мейства виноградных, цепляющихся при помощи усиков. Соцве- тие представляет сложную кисть, разрастающуюся после опло- 54
отворения цветков. Плоды винограда — сочные ягоды, собран- д0 в сложную кисть, которая называется гроздью. Виноград ис- Поль ется в бродильном производстве для получения виноград- ных вин. коньяков и виноградного сока. Строение грозди. Гроздь винограда состоит из гребненожки (ножки), гребня и ягод, характеризующих строение виноград- ной грозди и ее технологические свойства Величина и форма грозди зависят от сорта винограда и внешних условий. По фор- ме грозди могут быть цилиндрическими, коническими, цилин- дроконическими, яйцевидными, ветвистыми и др. Длина гроз- ди лежит в пределах 60—300 мм. Средней считается гроздь раз- мером 130—180 мм. Ширина грозди колеблется от 50 до 190 мм. Масса грозди варьирует в широких пределах в зависимости от сорта винограда и экологических факторов: минимальная — 40 г, максимальная — 750 г. Для характеристики винограда как сырья существенное значе- ние имеет механический состав грозди, под которым понимают со- отношение в ней отдельных структурных элементов: ягод, гребней, кожицы, мякоти и семян. Они существенно различаются по строе- нию, химическому составу и физико-механическим свойствам. Каждый из них оказывает влияние на технологические режимы пе- реработки и качество изделий. О степени варьирования основных показателей механического состава дают представление следующие средние данные (% от массы грозди): гребни — 1—8,5, кожица — 0,9—24,1, семена —0,1—8, мякоть с соком —71—95. Химический состав. Ценной частью грозди являются ягоды, со- держащие высокосахаристый сок, из которого получают напитки. Сок виноградных ягод содержит 55—87 % воды, 10—30 — сахаров, 0,5—1,7 — органических кислот, 0,15—0,9 — белковых, 0,1 —1,3 — пектиновых и 0.1—0,5 % минеральных веществ. Виноградная яго- да состоит из кожицы, мякоти и семян. Кожица занимает пример- но 10 % от массы ягоды. В ее состав входят клетчатка, вода, танин, органические кислоты и красящие вещества. Красящие вещества плохо растворяются в виноградном сусле при обычной температу- ре, но при нагревании свыше 45—50 °C растворимость их повыша- ется. Они хорошо растворяются в спирте, что учитывается в вино- делии. Так, при получении белого вина из красного винограда ко- жицу от сока отделяют до начала брожения, т. е. до образования спирта. Мякоть составляет около 87 % от массы ягоды. Мякоть содер- жит 75—80 % воды, 18—25 — сахаров, 0,30—0,45 — свободных кис- лот, 0,5—0,7 % кислого виннокислого калия, а также азотистые и минеральные вещества, эфирные масла и липиды. Семена составляют около 3 % от массы ягоды. Они содержат клетчатку, танин, виноградное масло, смолистые вещества с край- е неприятным вкусом, который передается вину, если при раз- авливании винограда были раздавлены также и семена. 55
Виноград считается одним из самых сладких плодов: содер- жание сахаров в нем достигает 32 % и более. Основными сахара- ми являются глюкоза и фруктоза. Органические кислоты пред- ставлены в винограде главным образом винной и яблочной. Кислоты находятся в соке винограда в свободном состоянии или в виде кислых солей. Титруемая кислотность виноградного сусла колеблется в среднем от 3,5 до 14,5 г кислоты в 1 дм3, а pH — от 2,5 до 3,8. В ягодах винограда находятся ароматические вещества и витамины. Сбор урожая. Виноград собирают в период технической зрелос- ти, когда в нем достигается необходимое для производства вина содержание сахаров и кислот. Время сбора винограда определяет- ся по так называемому глюкоапидометрическому показателю сус- ла С/К, т. е. по отношению количества сахаров С (%) к титруемой кислотности К (г/дм3). В ходе созревания винограда этот показа- тель увеличивается. Для каждого типа вина сушествует свой срок сбора винограда, когда состав и соотношение частей ягоды наибо- лее благоприятны. Продолжительность периода сбора и перера- ботки винограда обычно составляет 15—20 сут. За это время состав сока ягод винограда по основным показателям удерживается в требуемых пределах. Если виноград созревает равномерно, проводят сплошной сбор, при большой неравномерности созревания сбор должен быть выборочным. Сбор винограда должен быть доставлен на пе- реработку на винзавод не позднее чем через 4 ч после сбора, так как вытекающий из поврежденных ягод сок легко подвергается брожению и закисанию. 2.5. ХМЕЛЬ Хмель — вьющееся многолетнее растение семейства тутовых, подсемейства коноплевых. Двудомное растение: мужские и жен- ские цветы находятся на различных растениях. Разводится хмель исключительно для получения женских неоплодотворенных соцве- тий, которые используются в пивоварении. Хмель придает пиву приятные специфические горький вкус и аромат, повышает биоло- гическую стойкость, ценообразование и пеностойкость Женские соцветия хмеля представлены хмелевыми шишками. К моменту созревания хмеля в шишках появляются желто-зеле- ные с сильным блеском клейкие шарики, содержащие зернышки лупулина (лупулин — самая ценная составная часть хмеля, содер- жащая ароматические и горькие вещества). Уборку хмеля проводят в период технической зрелости, когда шишки хмеля закрыты, упруги, имеют золотисто-зеленый цвет и сильный аромат. С наступлением физиологической зрелости они раскрываются, зерна лупулина высыпаются и теряют ценные ве- 56
шества. Свежеубранный хмель содержит 75—80 % воды. После уборки его сразу высушивают в хмелесушилках нагретым воздухом при температуре 25—30 °C до влажности 9—10%. Далее хмель под- ергают отлежке, сульфитации для подавления развития микроор- ганизмов. Затем хмель прессуют и упаковывают в тканевые меш- ки, стальные оцинкованные цилиндры. Хранят хмель в сухом темном помещении с искусствен- ным охлаждением на решетчатых стеллажах при температуре 1-3 °C. Химический состав. Средний химический состав хмеля (%): вода —9—14; горькие вещества — 12—22; эфирные масла — 0,4—2,0; полифенольные вещества — 2—8; целлюлоза — 10—17; углеводы — 2—4; азотистые вещества — 13—24; пектиновые вещества — 5—15; минеральные вещества — 7—10. Для пивоварения наибольшее значение имеют горькие и поли- фенольные вещества и эфирные масла. Горькие вещества представлены в хмеле мягкими и твер- дыми смолами. Мягкие смолы — это а-кислота (гумулон), Р-кислота (лупулон), а- и p-смолы, у-кислота (гумулион), о-кислота (гулупон), а также p-фракция (сумма р-кислот и мягких смол). Твердые смолы разделяют на у- и о-смолы. Горькие кислоты состоят из смеси гомологов, отличающихся друг от друга структу- рой, т. е. боковой цепью у углеродного атома. Для пивоварения наибольшую ценность представляет а-кисло- та, обеспечивающая 90 % горечи пива. Содержание а-кислоты в отечественных сортах хмеля 2,5—5,5 %, в зарубежных — 3,5—9,5 % на сухое вещество. Эфирные масла представляют собой сложную смесь углево- дородов терпенового ряда (65—75 %) и кислородсодержащих соединений (25—35 %). Важнейшие терпеновые углеводороды — монотерпены и сесквитерпены. В состав кислородсодержащих фракций хмеля входят в небольших количествах сложные эфиры карбоновых кислот, альдегиды, кетоны, спирты, кислоты, также влияющие на аромат пива. Температура кипения компонентов эфирного масла от 49 до 14ГС. Распространено мнение, что для получения пива с приятными горечью и ароматом в хмелевом масле должно быть больше сесквитерпенов и меньше мирцена (монотерпена) Полифенольные вещества благоприятно влияют на фор- мирование вкуса пива, способствуют выделению высоко- молекулярных белковых веществ, повышая коллоидную стой- кость пива. Требования к качеству Прессованный хмель должен соот- ветствовать требованиям ГОСТа, основные положения которого представлены в табл. 2.5. 57
Требования ГОСТа к прессованному хмелю Таблица 25 Показатель Норма базисная ограничительная Цвет От светло-желто-зеле- ного до золотисто-зе- леного, шишки могут быть с покрасневши- ми кончиками лепест- ков Зеленый, желтовато- зеленый, зеленовато- желтый, желтый с ко- ричневыми пятнами, бурый Содержание а-кислоты в пере- счете на абсолютно сухое веще- ство, %, не менее Количество примесей, %, не более: для машинного сбора ручного сбора Содержание золы в пересчете на абсолютно сухое вещество, %, не более Содержание влаги, % Содержание семян, %, не более Общее количество оксида серы (IV) в пересчете на абсолютное сухое вещество, %, не более 3,5 2.5 10 5 14 13 Не более 13 и не менее 11 - 4 - 0,5 Запах должен быть хмелевой. Не разрешается использовать хмель с прелым, затхлым, дымным, сырным, валериановым и другими посторонними запахами, а также хмель, пораженный плесенью, вредителями и болезнями, с содержанием посторонних (не хмелевых) примесей. Хмелевые препараты. Для сохранения ценных компонентов хмеля и более эффективного применения его в пивоварении стали вырабатывать хмелевые порошки и экстракты. По сравнению с хмелем в шишках эти продукты имеют следующие преимуще- ства: повышается использование горьких веществ при хранении; уменьшаются расходы на транспортирование и т. д. Поэтому в ми- ровой практике применяют 30 % гранулированного хмеля, 30 % экстрактов хмеля и только 40 % хмеля в шишках. В нашей стране разработана технология получения молотого брикетированного и гранулированного хмеля, а также изомеризо- ванных и неизомеризованных экстрактов хмеля. Молотый брике- тированный и гранулированный хмель готовят путем сушки и из- мельчения сырья, прессования и брикетирования или прессова- ния и гранулирования с последующей упаковкой в полимерную пленку под вакуумом. 58
Молотый брикетированный и гранулированный хмель I и II сортов содержит соответственно не менее 3,5 и 3,0 % сх-кислоты к массе сухих веществ. Хмелевой изомеризованный экстракт получают периодически- ми способами (прессовым или диффузионным) посредством од- ноступенчатой экстракции хмеля этанолом. Хмелевой экстракт вырабатывают трех сортов. Экстракты содержат соответственно 30 28 и 27 % сухих веществ и 25, 23 и 21,5 % общих горьких ве- ществ. Содержание сх-кислоты в экстракте составляет 20—25 % от общего количества горьких веществ. 2.6. ВОДА Предприятия бродильной промышленности расходуют значи- тельное количество воды. Вода используется на технологические и технические цели. Вода, применяемая на технологические нужды, оказывает большое влияние на технологические процессы и каче- ство готовой продукции. Она должна удовлетворять требованиям ГОСТ 2874 на питьевую воду, быть безопасна в экологическом от- ношении, безвредна по химическому составу и органолептичес- ким показателям. По микробиологическим показателям питьевая вода должна соответствовать следующим требованиям: число микроорганизмов в 1 см3 воды должно быть не более 100; число бактерий группы кишечная палочка в 1 дм3 воды (колииндекс) — не более 3. Концентрация химических веществ в питьевой воде не должна превышать нормативов, представленных в табл. 2.6. Таблица 2.6 Допустимые концентрации химических веществ в питьевой воде Показатель Норматив Водородный показатель (pH) Содержание, мг/дм3, не более: 6,0-9,0 сухого остатка хлоридов (СГ) сульфатов (SO?-) цинка (Zn2+) меди (Си2+) полифосфатов остаточных ( РО?- ) марганца (Мп2+) 4 железа (Fe2+) свинца (РЬ2+) алюминия (А13+) мышьяка (As2+) нитратов (NOT ) Общая жесткость/мг экв/дм3, не более 1000 350 500 5,0 1,0 3,5 0,1 0,3 0,03 0,5 0,05 45,0 7,0 59
Прежде всего вода должна быть прозрачной, бесцветной, при- ятной на вкус, не иметь посторонних запахов и привкусов. Кроме того, в каждом бродильном производстве предъявляются индиви- дуальные требования к жесткости, щелочности, окисляемости и содержанию сухого остатка. Различают жесткость общую, карбонатную и некарбонатную. Общая жесткость воды обусловлена содержанием в ней общего количества ионов кальция и магния. Карбонатной жесткостью воды называют жесткость, которая характеризуется наличием в воде гидрокарбонатов кальция и магния. При кипячении они пре- вращаются в карбонаты и выпадают в осадок. Некарбонатная жес- ткость объясняется наличием в воде хлоридов, сульфатов и дру- гих солей кальция и магния, которые при кипячении в осадок не выпадают. Общая жесткость равна сумме карбонатной и некарбо- натной жесткости. Один миллиграмм-эквивалент (1 мг • экв.) жес- ткости соответствует содержанию в 1 дм3 воды 20,04 мг иона каль- ция или 12,16 мг иона магния. Вода, имеющая показатель жесткости 1 — 1,5 мг экв/дм3, счи- тается очень мягкой; 1,5—3 — мягкой; 3—6 —средней жесткости; 6—10 — жесткой; свыше 10 мг • экв/дм3 — очень жесткой. Окисляемостью воды называют способность веществ, содержа- щихся в воде, реагировать с окислителями. Величину окисляемос- ти выражают количеством миллиграммов кислорода, которое не- обходимо для окисления веществ, содержащихся в 1 дм3 воды. Окисляемость характеризует степень загрязнения воды органичес- кими веществами. Показатель окисляемости питьевой воды дол- жен быть не выше 3 мг О2/дм3. К воде, используемой в бродильной промышленности на техно- логические цели, предъявляются дополнительные требования. Для спиртового производства нежелательна вода с высокими карбонатными жесткостью и щелочностью. Процессы водно-теп- ловой обработки, осахаривания и спиртового брожения протекают быстрее и полнее в кислой среде при pH 5,0—5,5. Нейтральная и слабощелочная реакции способствуют развитию кислотообразую- щих бактерий. Высокая карбонатная жесткость воды, используемой для зама- чивания зерна при приготовлении солода, задерживает прораста- ние зерна, а применение такой воды при приготовлении солодово- го молока снижает активность амилолитических ферментов. Высокая карбонатная жесткость воды повышает расход кисло- ты на подкисление мелассы. На спиртовых заводах при высокой бактериальной загряз- ненности воду обеззараживают хлорной известью или газо- образным хлором. В ликероводочном производстве чрезвычайно важное значение имеют жесткость, щелочность воды и ее солевой состав Общая жесткость воды для приготовления ликероводочных изделий не 60
должна превышать при использовании естественной 1 мг • экв/дм3 и умягченной воды 0,2 мг • экв/дм3. Более жесткая вода непригод- на для приготовления крепких напитков, так как при смешивании со спиртом растворенные в воде соли кальция и магния понижают свою растворимость и выпадают в осадок, вследствие чего водно- спиртовая смесь становится мутной. На вкус и стойкость ликероводочных изделий влияют солевой состав и щелочность воды. В используемой неумягченной воде су- хой остаток должен быть не выше 500 мг/дм3, щелочность — не более 4,0 см3 0,1 М НО на 100 см3 воды. Для производства безалкогольных напитков наилучшей считает- ся мягкая вода общей жесткостью не более 1,5 мг - экв/дм3 с мини- мальной щелочностью, чтобы обеспечить необходимую кислот- ность изделий при минимальном расходе лимонной кислоты. Вода, используемая в пивоварении, должна иметь pH в преде- лах 6,8—7,3, общую жесткость не более 5—6 мг • экв/дм3, окисляе- мость не выше 2 мг/дм3 и сухой остаток не более 600 мг/дм3. Для светлых сортов пива требуется более мягкая вода общей жесткостью до 1 — 1,5 мг • экв/дм3. Содержание в воде ионов ка- лия, натрия, сульфатов, хлоридов и других катионов и анионов не должно превышать их пороговых концентраций, т. е. тех мини- мальных количеств, при которых становится ощутимым их влия- ние на вкус. Ионный состав воды не должен повышать pH производствен- ных сред, в которых протекают биологические процессы. Для ха- рактеристики этого свойства воды надежным критерием является- отношение ионов кальция к общей щелочности воды, которое должно быть не ниже единицы. 2.6.1. СПОСОБЫ ПОДГОТОВКИ ВОДЫ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИ* ЦЕЛЕЙ Если вода не отвечает требованиям данного производства, ее подвергают соответствующей подготовке для удаления нежела- тельных примесей. С целью улучшения качества воды применя- ют следующие основные способы ее подготовки: отстаивание и фильтрование, коагуляцию, дезодорирование, обезжелезивание, умягчение, деминерализацию и обеззараживание. Отстаивание и фильтрование. Для освобождения воды от взве- шенных частиц ее подвергают отстаиванию или фильтрованию. Отстаивание осуществляют в резервуарах. Более распространен- ным способом освобождения от взвешенных частиц является фильтрование. В качестве фильтрующих материалов применяют кварцевый песок, гравий, дробленый антрацит. Коагуляция. Некоторые воды загрязнены минеральными и органическими примесями в коллоидно-дисперсном состоянии, 61
которые не задерживаются при фильтровании. Наиболее типич- ными из этих примесей являются кремниевая кислота, ее соли и гуминовые вещества В этом случае воду обрабатывают вещества- ми, которые вызывают укрупнение коллоидных частиц и выпаде- ние их в осадок. Такой процесс называется коагуляцией, а приме- няемые для коагуляции вещества — коагулянтами. В качестве коагулянтов применяют сульфаты алюминия и же- леза. В водном растворе сульфат алюминия подвергается гидроли- зу с образованием гидроксида алюминия и серной кислоты: AI2(SO4)3 + 6Н2О 2А1(ОН)3 +3H2SO4. Положительно заряженные ионы гидроксида алюминия сни- жают электрический потенциал, создаваемый отрицательно заря- женными коллоидными частицами кремниевой кислоты и гуми- новых веществ, содержащихся в воде, в результате чего происхо- дит их коагуляция. Хлопья гидроксида алюминия и скоагулированные коллоиды имеют сильно развитую поверхность, способную сорбировать растворимые органические вещества, благодаря чему вода обес- цвечивается и освобождается от неприятного привкуса. Если в качестве коагулянта используется железный купорос FeSO4 7Н2О, то сульфат железа в присутствии бикарбонатов и кислорода дает следующие реакции: FeSO4 + 2НСО3 <=> Fe(OH)2 + 2CO2+SOj-; 4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O 4Fe(OH)3. Коагуляция гидроксидом железа по сравнению с коагуля- цией гидроксидом алюминия протекает быстрее, так как гид- роксид железа имеет плотность в 1,5 раза больше, чем гид- роксид алюминия. Для ускорения процесса коагуляции и снижения расходов коагулянтов к воде добавляют вещества, называемые флокулянта- ми, одним из которых является полиакриламид. Коагуляцию при- месей воды проводят в резервуарах с мешалкой. Обработанную коагулянтом воду подвергают фильтрованию. Дезодорация. Обработка воды, устраняющая неприятные запа- хи и привкусы, обусловленные различными примесями, называ- ется дезодорацией. Самые распространенные способы дезодора- ции воды — озонирование и обработка активным углем. При об- работке воды путем фильтрования через слой активного угля уст- раняются запах и привкусы воды, снижаются ее цветность и окисляемость. Обезжелезивание. Вода со значительным содержанием железа имеет неприятные вкус и запах. Железо выпадает в осадок 62
Методы обезжелезивания предусматривают фильтрование воды через фильтры с кварцевой загрузкой без добавления реагентов или с дополнительной обработкой кварцевого песка модифициру- ющими реагентами. Безреагентный способ основан на особенности воды, содер- жащей соединения железа и растворенный кислород, при фильт- ровании через зернистый слой выделять железо на поверхности зерен с образованием каталитической пленки из оксидов двух- и трехвалентного железа. Эта пленка активно интенсифицирует процесс окисления и выделения из воды трехвалентного железа, задерживаемого фильтром в виде гидроксида железа. Данный способ обезжелезивания рекомендуется применять при общем содержании железа до 10 мг/дм3, в том числе трехвалентного не менее 50 %, при окисляемости 6—7 мг О2/дм3 и щелочности больше единицы Если безреагентный способ не дает желаемых результатов, то кварцевый песок дополнительно обрабатывают модифицирующи- ми реагентами Сущность обработки заключается в нанесении на поверхность кварцевого песка пленки из гидроксида железа, ди- оксида железа и диоксида марганца, катализирующих процесс обезжелезивания воды. Для обезжелезивания воды используются песочные фильтры ШЗ-ВФА и фильтры «Аква-электроника». Умягчение. Наиболее распространенный способ умягчения воды — ионообменный. При этом способе достигается не толь- ко умягчение, но и удаление нежелательных примесей. Метод основан на способности некоторых труднорастворимых веществ поглощать из растворов одни катионы или анионы и отдавать взамен другие. К ионитам относятся цеолиты, глауконит, орга- нические вещества в виде синтетических смол и сульфитиро- ванные угли По характеру активных групп иониты подразделяют на ка- тиониты и аниониты. Катиониты имеют кислотный характер и обладают способностью обменивать ионы водорода или другие положительно заряженные ионы на ионы металлов (катионы). Аниониты имеют основной характер и способны обменивать гид- роксильные ионы или другие отрицательно заряженные ионы на кислотные остатки (анионы). В практике очистки воды часто используют Н+- и \а+-кати- ониты. В зависимости от катиона этот процесс называют Н-ка- тионированием и Na-катионированием. При Н-катионировании повышается кислотность воды, а при Na-катионировании увели- чивается щелочность фильтрата, если в исходной воде содержа- лась карбонатная жесткость. Это объясняется тем, что при такой обработке воды образовавшийся гидрокарбонат натрия гидроли- Уется с образованием гидроксида натрия: NaHCO3 + Н2О <=* NaOH + H2CO3. 63
Если обозначить комплекс ионита через R, то реакции ионо- обмена в жесткой воде могут быть выражены следующими урав- нениями: Na2[R] + (Ca,Mg)(HCO3)2 <=! (Ca,Mg)[R] + 2NaHCO3; Na2[R] + (Ca,Mg)SO4 (Ca,Mg)[R] +Na2SO4; Na2[R] + (Ca,Mg)Cl2 (Ca,Mg)[R| + 2NaCl. Ионы Na+, K+, Ca2+, Mg2+ и др. могут быть заменены в ка- тионите ионом водорода. В этом случае катион из раствора обме- нивается на ион водорода (Н-катионирование) с образованием свободной кислоты: 2H[R] + (Ca,Mg)Cl2 (Ca,Mg)[R] +2НС1. Реакции ионообмена обратимы. В процессе фильтрования воды через катионитовые филь- тры обменная способность катиона постепенно уменьшается. Для ее восстановления Na-катионит регенерируют пропусканием 8—10%-го раствора хлорида натрия (поваренной соли), а Н-ка- тионит —4—5%-го раствора соляной кислоты. Катиониты применяют преимущественно для умягчения воды, обладающей небольшой жесткостью (до 7 мг • экв/дм3), а также для удаления некоторых примесей, содержащихся в не- Рис. 2.2. Схема водоумягчительной ус- тановки с катионитовыми фильтрами: 7 и 2 — баки для отмывочной воды и отра- ботанного раствора соли; 3 — катионитовые фильтры; 4 — солерастворитель; 5 — сбор- ный бак для умягченной воды; 6— центро- бежный насос больших количествах, например железа. При этом ионы железа обмениваются на ионы каль- ция — катионита. На рис. 2.2 приведена схема водоумягчительной установки с катионитовыми фильтрами. Умяг- чение воды на этой установке осуществляется следующим обра- зом. Вода проходит Na-катиони- товые фильтры 3, поступает в сборный бак 5 и посредством цен- тробежного насоса 6 подается на производство. Скорость фильт- рования на катионитовых фильт- рах колеблется от 5 до 20 м/ч. Фильтры рассчитаны на рабочее давление до 0,7 МПа. По мере работы фильтра об- менная способность катионита снижается, а жесткость умяг- ченной воды повышается, по- 64
этому ее контролируют через каждые 2 ч, а к концу работы фильтра — через 1 ч. Если средняя величина жесткости умягченной воды в сбор- нике достигает 0,1—0,2 мг • экв/дм3, фильтр переключают на регенерацию. Перед регенерацией слой катионита взрыхляют, пропуская воду снизу вверх со скоростью 20 м/ч. Взрыхление катионита про- должается 10—15 мин и осуществляется отмывочной водой, посту- пающей из бака 1. Взрыхленный катионит регенерируют раство- ром поваренной соли, который подается из напорного солераство- рителя 4. Отмывка катионита после пропускания раствора соли производится раствором из бака 2. Для осветления раствора соли в солерастворитель загружают кварцевый песок. Регенерацию Na-катионитового фильтра проводят так, что- бы раствор поваренной соли сменился в порах катионита не менее Зраз. Расход хлорида натрия составляет 195—225 г на 1 г • экв поглощенных Са2+ и Mg2+. Стоимость умягченной во- ды при подготовке воды определяется главным образом расхо- дом поваренной соли. Длительность всех операций по регенерации фильтра состав- ляет 1,5—2 ч: взрыхление катионита обратным током воды— 10—15 мин, собственно регенерация — 20—25 мин; отмывка филь- тра от неиспользованного раствора соли и от продуктов регенера- ции — 30—50 мин. По окончании регенерации начинается новый цикл очистки Na-катионирование обеспечивает сильное умягчение воды (жесткость фильтрата не превышает 0,05 мг • экв/дм3). Однако этим методом невозможно снизить щелочность исходной воды. Поэтому если требуется уменьшить щелочность умягченной воды, применяют Na-катионирование с подкислением умягченной воды или H-Na-катионирование. Аниониты применяют для удаления из воды кислот и кислот- ных остатков. На анионитовых установках происходит обмен сильных кислот (SOi-, Cl-, NO/ ) на гидроксильные ионы (ОН-). Регенерация анионитов производится 2%-м раствором каустичес- кой соды. Совместное использование катионитов позволяет осуществлять деминерализацию воды и оптимизировать ее солевой состав. Спо- соб деминерализации воды с помощью ионообменных смол при- меним при жесткости воды от 0,5 до 17 мг • экв/дм3. Деминерализация воды. Деминерализация воды осуществля- ется в процессе фильтрования через ионообменные смолы — катионит и анионит. Получение деминерализованной воды со- стоит из следующих основных стадий: загрузки и подготовки ионитов; очистки воды от ионов минеральных кислот и регене- рации ионита. 65
Рис. 2.3. Технологическая схема деминера- лизации воды: 7 — подогреватель; 2 и 4— сборники растворов НС1 и NaOH; 3— сборник умягченной воды; 5, 6 и 7— соответственно катионитовая, аниони- товая и угольная колонны: 8, 11 и 16— насосы: 9—промежуточный сборник воды; 10— сбор- ник-нейтрализатор сточных вод; 12 и 15 — мер- ники концентрированных растворов НС1 и NaOH; 13 и 14— резервуары НС1 и NaOH Работа ионитной установки (рис. 2.3) заключается в после- довательном пропускании воды через катионитовый и аниони- товый фильтры. В начале про- цесса первые порции обессолен- ной воды сливают в сборник и используют их для промывки ионитов. В колонке, загруженной катионитом, через которую проходит фильтрование воды сверху вниз, происходит обмен всех катионов, присутствующих в воде, на ион водорода. Вода, прошедшая через фильтр, уже не содержит карбонатных солей, которые превраща- ются в свободную СО2, согласно уравнению реакции + NaHCO3 -> NaKaT -> + СО2 + Н2О. Из нижней части катионитовой колонки вода поступает наверх анионитовой колонки, где происходит обмен анионов сильных кислот (SO^, Cl“, NO^) на гидроксильные ионы (ОН-) при ре- генерации анионита каустической содой или ионы СО3~ при ре- генерации кальцинированной содой. Деминерализованная вода, выходящая из нижней части аниони- товой колонны, собирается в сборник обессоленной воды. Последние порции обессоленной воды перед остановкой фильтра на регенерацию стекают в сборник воды для промыв- ки ионита. Жесткость обработанной воды после анионитового фильтра должна быть 0,01—0,02 мг • экв/дм3. Ее контролируют в началь- ный период работы ионитов через 3—4 ч, по мере срабатывания катионита — через 1 ч и перед регенерацией — через 30 мин. При нормальной работе вода после катионитового фильтра имеет pH 1,8—2,2, после анионитового фильтра — pH 6,5—6,9, щелоч- ность — 0,2—0,3 см3 0,1 моль/дм3 НС1 на 100 см3 воды. При истощении обменной емкости катионита pH повышается до 2,5—3,0, щелочность после анионитового фильтра — до 2 см3 66
. моль/дм3 НС1 на 100 см3 воды и выше, хотя жесткость при этом тается еще в пределах 0,01—0,02 мг • экв/дм3. В этом случае ка- онитовую колонку необходимо направить на регенерацию, а к ™нионитовой колонке подключить катионитовую колонку, про- шедшую регенерацию. Весь процесс регенерации проходит в три стадии: взрыхле- ние собственно регенерация и отмывка от регенерирующих Р Взрыхление катионита осуществляется обратным потоком во- допроводной воды снизу вверх колонки. Поток воды со скоростью 5_-7 м/ч приводит катионит во взвешенное состояние. При этом происходит удаление из него механических загрязнений. По окончании взрыхления (вода должна стать прозрачной) колонку ставят на регенерацию. Регенерацию катионита проводят путем пропускания через колонку сверху вниз раствора соляной кислоты концентрацией 4—5 %. Для приготовления регенерирующего раствора использу- ют деминерализованную воду и техническую соляную кислоту I или II сорта концентрацией 27,5 %. Регенерацию катионита ведут сначала отработанным раст- вором соляной кислоты концентрацией 3—4 %, оставшимся после предыдущей регенерации, который после использования удаляют в канализацию, а затем свежеприготовленным раство- ром соляной кислоты, который собирают в сборник отработан- ной кислоты. Регенерацию катионита проводят с периодической выдержкой катионита в растворе кислоты 1—2 ч и более. Регенерация длится около 8 ч. Отмывку катионита ведут водопроводной водой, подавая ее сверху вниз со скоростью 2—3 м/ч. В начале отмывки из колонны вытесняется раствор кислоты, который собирают в сборник отра- ботанной кислоты. Когда концентрация кислоты в отходящих промывных водах будет меньше 2 %, их сбрасывают в канализацию через нейтра- лизатор сточных вод. Скорость подачи воды при этом увеличи- вают до 5—10 м/ч. Длительность отмывки около 2 ч. Конец от- мывки проверяют по жесткости воды (до 0,1 мг - экв/дм3) и зна- чению pH (1,7—1,8). Взрыхление анионита осуществляется деминерализованной водой или водой, собранной в конце предыдущей промывки анионита, снизу вверх. Использованная вода направляется в ка- нализацию. Регенерацию анионита проводят 2%-м раствором каустичес- кой соды, приготовленным при температуре 50—60 °C из техни- N СпгГ° гидР°ксида натрия с содержанием не менее 95—96 % rnaU"’ иди 4,0—4,3%-м раствором кальцинированной соды, при- товленным из технического карбоната натрия с содержанием не 67
менее 98 % NajCO3. В обоих случаях для приготовления реге- нерирующего раствора используют деминерализованную воду. После регенерации анионит будет соответственно в ОН- или СО3~-форме. При использовании раствора кальцинированной соды анионит отмывается быстрее и меньше расходуется деминерализованной воды. В начале процесса регенерации на колонку подается отрабо- танный регенерационный раствор, собранный при предыдущей регенерации. Отработанный раствор щелочи после повторного использова- ния спускают в канализацию. Затем на колонку подают свеже- приготовленный раствор щелочи со скоростью 1 м/ч, который после пропускания через анионитовый фильтр собирают в сбор- ник отработанного раствора для повторного использования. За- полнение фильтра регенерирующим раствором проводят периоди- чески с выдержкой 0,5—1 ч. Полноту регенерации определяют по разности концентраций входящего и выходящего раствора щело- чи, которая должна быть не более 0,3—0,4 %. Регенерация длится около 7 ч. Отмывку анионита ведут деминерализованной водой или во- дой, собранной при предыдущей отмывке, подавая ее сверху вниз со скоростью 2—3 м/ч. В начале отмывки из колонки выте- кает раствор каустической или кальцинированной соды (в объе- ме, равном объему колонки), который собирают в сборник отра- ботанного раствора. Последние порции промывной воды соби- рают и используют для взрыхления анионита перед регенераци- ей, а также для последующей отмывки. Анионит отмывают до pH воды 7,0—7,3 и щелочности 0,3—0,4 см3 0,1 моль/дм3 НС1 на 100 см3 воды. После отмывки колонку подвергают эксплуатации. Первые порции деминерализованной воды собирают в сборник отмывочных вод. Стабильность работы установки в значительной степени зави- сит от своевременной остановки катионитового фильтра на реге- нерацию. Недопустимо попадание катионов на анионитовый фильтр. Если это по какой-то причине произойдет, необходимо анионит обработать 2—2,5%-м раствором соляной кислоты, т. е. закачать раствор и выдержать 3—4 ч, а затем промыть деминерали- зованной водой и провести регенерацию сначала 2,5%-м, а затем 4%-м раствором NajCOa или NaOH. При необходимости эту опе- рацию следует повторить. В процессе деминерализации используют сильнокоррозион- ные среды, в связи с этим трубопроводы должны быть изготов- лены из винипласта, а катионитовые и анионитовые колонки — из титана. Сборники для деминерализованной воды и регенерирующих растворов должны быть облицованы внутри винипластом. При 68
иготовлении раствора соляной кислоты следует использовать кислотоупорные насосы. Обратноосмотический способ подготовки воды. Если вода не от- ечает технологическим требованиям одновременно по жесткос- ти содержанию солей, органических веществ и прозрачности, це- лесообразно для ее очистки использовать установки обратного ос- моса. При работе этих установок используется явление осмоса, т е. самопроизвольный переход растворителя через полупроница- емую мембрану из области с меньшей концентрацией в более кон- центрированный раствор. В связи с тем что осмотическое давле- ние для реальных растворов достигает больших величин, для осу- ществления этого процесса необходимо создать большое давление (3,4—13,7 МПа). Мембраны для установок обратного осмоса име- ют поры диаметром 1 • 10-3—3 • 10-3мкм. Суть способа заключается в том, что исходная вода нагнетается в межмембранный канал обратноосмотического аппарата под дав- лением, превышающим осмотическое. При этом одна часть пото- ка, освобожденного из растворенных компонентов, проходит че- рез мембрану и отводится в коллектор пермеата (фильтрата), а другая часть, обогащенная растворенными компонентами, сбра- сывается по коллектору концентрата (конверата). Соотношение потоков пермеата и концентрата — величина, регулируемая и обычно поддерживаемая в диапазоне 70—80 %. Обратноосмоти- ческим способом удаляется от 50 до 99 % растворенных в воде ве- ществ, жесткость воды снижается в 10—12 раз. Для воды с содер- жанием солей до 0,5 г/дм3 предварительная подготовка не требует- ся. При большем содержании солей необходимо вводить стадию предподготовки исходной воды. В зависимости от качества воды предподготовка может включать фильтрование, подкисление, Na-катионитовое умягчение и другие методы. Следует учитывать, что мембранный способ очистки воды является безреагентным, а следовательно, экологически чистым. Обеззараживание. Вода, недостаточно чистая в бактериальном отношении, должна обязательно подвергаться обеззараживанию. Для этих целей применяют дезинфекцию воды при помощи хлора (хлорирование), озона (озонирование), воздействия ультрафиоле- товых лучей и ионов серебра. В качестве источника ультрафиолетовых лучей используют ртутно-кварцевые и аргонортутные лампы, которые устанавлива- ют в аппаратах для облучения по пути движения воды. Различают аппараты с погруженными и непогруженными источниками излу- чения ультрафиолетовых лучей. Ионы серебра обладают бактери- цидным действием. Серебро в ничтожных концентрациях (сотые Доли миллиграмма на 1 дм3) обладает способностью уничтожать микроорганизмы. Для этого используют ионаторы с серебряными электродами. 69
2.6.2. АППАРАТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПОДГОТОВКИ ВОДЫ На рис. 2.4 представлена прогрессивная технологическая схема подготовки воды, используемой на технологические цели, обеспе- чивающая получение напитков высокого качества и стабильность их при длительном хранении. Вода из водопровода направляется на песочный фильтр 7, за- тем на микрофильтр 2 «АКВА-электроника». С помощью этих фильтров вода освобождается от взвесей и солей железа. После предварительной обработки вода поступает в сборник 77. В него в случае необходимости с помощью насосов-дозаторов 8 и 10 пода- ют стабилизирующие добавки — разбавленные растворы серной кислоты из бака 7и полифосфатов из бака 9. Для удобства эксплу- атации растворы реагентов готовят 1 раз в сутки. Далее вода обра- батывается в бактерицидной установке 12 и направляется в нако- пительный сборник 13, откуда через систему гидроаккумулято- ра 15 с помощью трехплунжерного насоса высокого давления 14 нагнетается в каскад обратноосмотических аппаратов 16. Качество очищенной воды контролируется солемером 18, а ко- личество — с помощью расходомера 77 С помощью насоса бумяг- Рис. 2.4. Аппаратурно-технологическая схема подготовки воды обрагноосмотнческим способом 70
енная вода направляется в напорный бак. Вода, полученная Чь1шеописанным методом, имеет следующие показатели: общая жесткость 0,02—0,22 мг экв/дм3, щелочность 0,16—0,3 моль/дм3, окисляемость 0,2—1,5 мг О2/дм3, низкое содержание микро- элементов. Обратноосмотическая установка работает на воде с содержа- нием солей до 0,5 г/дм3. При использовании установки пред- варительной подготовки воды не требуется. При содержа- нии солей от 0,5 до 30 г/м3 и выше, а также при мутности воды более 1,5 мг/дм3 перед обратноосмотической обработкой воды необходимо вводить микрофильтрование, ультрафильтрование и Na-катионирование. Более простой способ для предварительной подготовки воды — Na-катионирование. При высокой общей жесткости воды ее под- рабатывают, пропуская через фильтры 7, 2 и Na-катионитовый фильтр 4. Регенерация Na-катионитового фильтра осуществляется раствором соли, подаваемой из солерастворителя 3. Умягченную воду собирают в сборнике 5, после чего ее направляют в сборник 11, а затем подрабатывают по ранее описанному способу. Для предотвращения выпадения на мембранах осадка, содер- жащего гидроксид железа (III), карбонаты кальция и магния, что приводит к снижению селективности мембран и ухудшению про- цесса очистки воды, целесообразно ее подкислять до pH 5—6. С целью предупреждения образования на мембранах сульфата каль- ция вводят триполифосфат натрия концентрацией 1,5—2,0 мг/дм3. При этом предпочтительно использовать непрерывный режим ра- боты установки. При остановке более чем на 48 ч установку необходимо подвергать консервации, которую проводят путем закачивания без давления в гидравлическую систему установки 0,5%-го раствора сульфата меди или формалина. При длительной оста- новке закачивание консерванта необходимо повторить через 7 сут. Отмывку гидросистемы установки при ее расконсерва- ции осуществляют прокачиванием исходной воды без давления в течение 1 ч на сброс.
Глава 3 ТЕХНОЛОГИЯ СОЛОДА Солодом называется зерно, проросшее в искусственных усло- виях при определенной температуре и влажности. Основная цель солодорашения — накопление в зерне максимального ко- личества активных ферментов, главным образом амилолитичес- ких. Кроме амилолитических в солоде значительно возрастает активность протеолитических, цитолитических и других фер- ментов. В спиртовом производстве солод используется в каче- стве осахаривающего средства для гидролиза крахмала сырья до сбраживаемых сахаров, а в пивоварении и производстве хлебно- го кваса — в качестве основного сырья и источника ферментов и экстрактивных веществ. В результате проращивания зерно превращается в полупродукт, называемый свежепроросшим солодом. В спиртовом производ- стве из солода готовят солодовое молоко, в пивоварении и произ- водстве кваса его сушат с целью накопления в нем ароматических и красящих веществ. Для получения солода на спиртовых заводах применяют яч- мень, рожь, тритикале, овес и просо; на пивоваренных — ячмень, редко пшеницу и тритикале; для производства кваса — рожь, яч- мень и тритикале. Основное требование, предъявляемое к солоду, — способ- ность как можно быстрее и полнее осахарить крахмал, для чего он должен накопить три фермента: а- и [3-амилазу и декстриназу. В солоде, приготовленном из зерна различных злаков, содержат- ся неодинаковые количества каждого из ферментов. Исходя из этого, все злаки делят на четыре большие группы: ячмень, просо, овес и кукуруза. В группу ячменя входят ячмень, рожь, тритикале и пшеница. Солод, полученный из этой группы злаков, отличается высокой а- и [3-амилолитической и относительно низкой декстринолити- ческой активностью. Группа проса, включающая его разновидности, — могар, чу- мизу, гаолян, пайдзе и др., дает солод с очень слабой [3-амило- литической, средней а-амилолитической и очень сильной дек- стринолитической активностью. Декстриназа в заметных коли- 72
чествах содержится даже в непроросшем зерне — в ядре и цве- точных пленках. Группа овса, в которую входит только этот злак, занимает про- межуточное положение между предыдущими группами. Группа кукурузы, также состоящая только из одного злака, дает солод, совершенно не обладающий Р-амилолитической активнос- тью, имеющий слабую «-амилолитическую, но значительную дек- стринолитическую активность. На спиртовых заводах с целью более полного осахаривания крахмала, а следовательно, и максимального выхода спирта из пе- рерабатываемого сырья применяют смесь, состоящую из солодов зерна групп ячменя и проса. Технологическая схема получения свежепроросшего солода для спиртовой промышленности и сухого для пивоварения (рис. 3.1) включает следующие стадии: очистку и сортирование зерна, зама- чивание зерна, проращивание, дробление свежепроросшего соло- да и приготовление солодового молока (для производства этано- ла), сушку (для производства пива) и отделение ростков и выдер- жку сухого солода. Рис. 3.1. Схема получения солода для пивоварения и этанола: —приемный бункер для зерна; 2—весы; 5—нория; 4 —сепаратор первичной очистки. 5 — ленточный транспортер; 6—силосы; 7—сепаратор; 8 — триер; 9—сортировочная ма- шина; 70—автоматические весы; 77 —бункер для зерна; 72—замочные чаны; 75 —пнев- матическая солодовня; 14 — промежуточный бункер, 75и 76 —верхняя и нижняя решетки солодосушилки; 77—бункер для сухого солода; 18— росткоотбойная машина; 19 — дро- билка свежепророшенного солода; 20— сборник для солодового молока; 27 — насос для солодового молока 73
3.1. ОЧИСТКА И СОРТИРОВАНИЕ ЗЕРНА Поступающее на пивоваренные и спиртовые заводы зерно представляет собой пыльную, неочищенную от различных приме- сей зерновую массу. Такое зерно плохо хранится, ухудшаются ус- ловия труда при его переработке, механические примеси могут ис- портить механизмы, поэтому перед хранением зерно обязательно очищают, а перед переработкой на солод сортируют. Зерно очищают дважды. Первичную очистку проводят при приеме больших партий зерна на длительное хранение. Во вре- мя хранения или перед подачей на замачивание проводят его окончательную очистку и сортирование. Зерно последовательно пропускают через зерновой сепаратор, магнит, триер и сорти- ровочные сита. От сорной и минеральной примесей зерно освобождают на се- параторе; мелкие металлические предметы (гвозди, гайки и пр.) извлекают магнитом. Семенную и зерновую примеси отделяют на триере и на сортировочных ситах. При сортировании ячмень разделяют по величине зерен на I, II и III сорта. С технологической точки зрения выравненность ячме- ня имеет первостепенное значение при замачивании и проращи- вании зерна. Очищать и сортировать зерно следует в отдельном помещении. Сепаратор предназначен для удаления из зерна лег- ких примесей — пыли, соломы, остатков колосков, щуплых зерен, злаков, мелких семян растений и крупной, грубой примеси — ка- мешков, комочков земли, обрывков веревок и т. д. Сепаратор состоит из приемной коробки с распределительным шнеком, аспирационного короба с вентилятором и ситового коро- ба с тремя сотрясательными ситами. Зерно, поступающее в приемный бункер, равномерно распре- деляется шнеком по всей ширине сепаратора. Подачу зерна на шнек регулируют заслонкой. Из приемного бункера зерно тон- кой струей поступает на наклонные сита, совершающие воз- вратно-поступательное движение, и обдувается сильной струей воздуха в двух местах: при поступлении в машину и на выходе из нее. Пыль и легкие примеси уносятся воздухом, засасываемым вентилятором, в циклон, где оседают вследствие потери скорос- ти воздушного потока Зерно проходит первое сито с отверстиями диаметром 10— 12 мм, а грубые примеси сначала задерживаются, а затем сбрасы- ваются сотрясательными движениями в приемный лоток. На вто- ром сите с отверстиями диаметром 4—5 мм из зерна отбираются остальные крупные примеси, а зерно поступает на третье сито с отверстиями диаметром 1,5 мм. Здесь оно задерживается, а мелкие примеси проходят через сито и выводятся из сепаратора. С третьего сита зерно удаляется сходом и на выходе проветри- вается сильной струей воздуха. Запыленный воздух поступает в 74
камеру сепаратора, теряет скорость, и тяжелая пыль оседает на лНо камеры, а легкие частицы уносятся в циклоны и фильтры. Зерно при выходе из сепаратора проходит через магнит, где отде- ляются оставшиеся металлопримеси. При работе на сепараторе необходимо следить за очисткой и исправным состоянием сит и особенно за герметичностью осадоч- ных камер и правильным положением клапанов в сепараторе. Сита должны плотно входить в рамки, чтобы не было провала (прохода) зерна. До пуска сепаратора ситовой кузов должен быть тщательно отбалансирован, а все ременные передачи — надежно ограждены. Нужно своевременно удалять отходы. Триеры предназначены для удаления из зерна половинок и ку- коля. Машина работает по принципу отбора зерна по длине. На триерах обрабатывают зерно, предварительно очищенное на сепа- раторах. Существуют цилиндрические и дисковые триеры. Цилиндрический триер представляет собой вращающийся ме- таллический цилиндр, установленный наклонно, на внутренней поверхности которого расположены карманообразные ячейки асимметричной формы. Внутри цилиндра находится желоб со шнеком для сбора круглых примесей и вывода их из машины. Зерно, поступившее внутрь цилиндра, движется по наклонной плоскости к выходу. Круглые и короткие примеси попадают в отверстия ячеек, задерживаются в них и поднимаются кверху. При движении цилиндра по окружности куколь, половинки зе- рен и семена круглой формы, достигнув определенного угла, вы- падают из ячеек и ссыпаются в желоб, откуда шнеком выводятся из триера. В ячейки могут попасть и целые зерна ячменя. Чтобы избежать этого, на конце шнека установлены подвижные плас- тины, которые задевают за торчащие из ячеек кончики зерен и направляют такие зерна обратно в цилиндр. Очищенные зерна при вращении цилиндра медленно передвигаются к выходу и выводятся самотеком. Производительность триера небольшая (140кг/ч на 1 м2 поверхности цилиндра). Скорость движения цилиндра 0,2—0,3 м/с. Дисковый триер отличается от цилиндрического тем, что рабо- чая поверхность выполнена в форме вертикальных вращающихся дисков с карманообразными ячейками на боковых поверхностях. Форма ячеек зависит от назначения триера. При большой пере- грузке триера часть зерна не соприкасается с рабочей поверхнос- тью и выходит необработанной. Разделение зерна по величине на фракции осуществляют на сортировочной машине, которая представляет собой наклонно ус- тановленный вращающийся барабан. Ситчатая поверхность бара- оана разделена на продольные прорези различной ширины. Зерно Разделяют на ситах по толщине (наименьший размер) на три или Четыре сорта. Так, при сортировании ячменя и делении его на три °Рта сита имеют прорези шириной 2,2 и 2,5 мм. Зерно, соприка- 75
саясь с поверхностью ситчатого цилиндра, проходит сквозь от- верстия и делится на фракции. Сквозь первое сито с отверстия- ми 2,2 мм проходят мелкие зерна (III сорт), а зерна средние (II сорт) и крупные (I сорт) поступают на второе сито с отвер- стиями 2,5 мм. Сквозь второе сито проходят зерна средней ве- личины. Наиболее крупные зерна идут с ситчатого цилиндра сходом. Ячмень I и II сорта поступает раздельно, его использу- ют для приготовления солода, а III сорт идет на корм скоту. При делении на четыре сорта устанавливают сита с прорезями в 2,2; 2,5 и 2,8 мм. Проход через сито с прорезями 2,2 мм направ- ляют в IV сорт и используют в качестве корма, проходы через сита с отверстиями 2,5 и 2,8 мм относят к III и II сортам, сход с сита с прорезями 2,8 мм — к I сорту. Ячмень I, II и III сортов, разделенный на таких ситах, поступает на замачивание и прора- щивание раздельно. Сортированное зерно взвешивают на авто- матических весах и подают в бункера, из которых оно направля- ется в производство. 3.2. ЗАМАЧИВАНИЕ ЗЕРНА Замачивание зерна — первый этап процесса соложения. Усло- вия замачивания: температура воды, выравненность зерна, доста- точное содержание кислорода в воде — значительно влияют на весь процесс соложения, его длительность, потери питательных веществ зерна и качество готового солода. Основная цель замачивания—довести зерно до требуемой влажности, очистить его от пыли и грязи, удалить легкие зерновые и незерновые примеси, оставшиеся после очистки и сортирова- ния, продезинфицировать зерно. Замачиванием зерна в воде достигается влажность, необходи- мая для его прорастания и жизнедеятельности. Влажность замо- ченного зерна называется в практике степенью замачивания. Эта величина складывается из первоначальной влажности зерна и ко- личества воды, поглощенной зерном во время замачивания. Очистка зерна от пыли и грязи достигается энергичным пере- мешиванием зерна в воде. Легкие зерновые и незерновые примеси (сплав) всплывают на поверхность воды и удаляются вместе с ней. Сплав следует удалять своевременно, так как, пропитавшись во- дой, часть его погружается и оседает. В дальнейшем освободить от него зерно будет трудно. Дезинфекцию зерна проводят для того, чтобы обезвредить его от микроорганизмов, находящихся в большом количестве на по- верхности зерна. 76
3.2.1. ПРОЦЕССЫ, ПРОИСХОДЯЩИЕ ПРИ ЗАМАЧИВАНИИ Основными условиями для прорастания зерна являются доста- точная влажность, определенная температура и присутствие кис- лорода. Жизнедеятельность зерна активизируется с появлением в нем свободной, или так называемой вегетативной влаги. Послед- няя появляется в зерне при его относительной влажности более 15 %- Таким образом, чтобы зерно перешло из состояния покоя к активной жизни, необходимо его искусственно увлажнить. Вода обеспечивает переход питательных веществ в раствор и перемеще- ние их к зародышу, а также создает возможность проникновения в эндосперм ферментов, которые гидролизуют резервные веще- ства зерна, усвояемые затем зародышем. Одновременно в зерне ускоряются биохимические процессы, усиливается дыхание и ак- тивизируются ферменты. Легче всего вода проникает в зерно со стороны зародыша, так как в отличие от других частей зерна зародыш поглощает воду бы- стрее из-за наличия в нем воздушных прослоек, капиллярных ка- налов и пустот, а также вследствие преобладания в его составе гидрофильных белковых соединений. Проникновение воды в зер- но обусловлено гидрофильностью его коллоидов (белков, крахма- ла, клетчатки). Объем зерна при замачивании увеличивается при- мерно в 1,5 раза. С повышением содержания влаги интенсивность влагопоглощения падает. Поглощение воды зерном протекает неравномерно (рис. 3.2): сначала сравнительно быстро, а затем очень медленно. Сравнительно быстрое поглощение воды в начале замачивания объясняется капиллярным проникновением воды в пустоты и тра- хеиды под мякинной оболочкой до полупроницаемой семенной оболочки — тесты. Семенная оболочка пропускает воду, но не пропускает вещества, растворенные в ней. Вода проходит в зерно в наибольшем количестве через микрокапиллярные отверстия в кончиках зерна (главным образом в зародышевом), т. е. в тех мес- тах, где мякинная оболочка открыта. Вода проникает внутрь зерна и вдоль всей поверхности, т. е. через мякинную оболочку, но в не- значительном количестве, так как клеточные стенки этой оболоч- ки сильно утолщены и пропитаны кремнеземом. Для впитывания последних количеств воды, обус- ловливающих конец процесса за- мачивания, требуется значитель- но больше времени, чем в начале замачивания. При достижении зерном влаж- ности 40 % проникновение воды в зерно заметно замедляется. Так, Для ячменя при замачивании и в течение 24, 48, 72, 96 ч влажность л 50 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Продолжительность замачивания, ч Рис 3.2. Изменение влажности зерна при замачивании 77
возрастает соответственно до 39, 43, 45, 47 %. Это является одной из причин того, что в практике спиртового производства замачи- вание ячменя, овса, ржи прекращают по достижении ими влажно- сти 38—40 %, а проса — при 33—35 %. Требуемая степень замачи- вания зерна достигается поливкой его при проращивании: влаж- ность ржаного и просяного солодов составляет 40—46 %, а ячмен- ного и овсяного — 44—45 %. В пивоварении при замачивании сразу достигается необходи- мая степень замачивания для светлого солода 42—45 %, для темно- го 45-47 %. С повышением содержания влаги энергия дыхания зерна зна- чительно возрастает. Нормальный ход процесса дыхания зерна связан с непрерывным потреблением кислорода. Во время зама- чивания 1 кг зерна за 1 ч поглощает 63 мг кислорода и выделяет 86 мг СО2. При расходе на 1 кг зерна 1,7 дм3 воды и растворимости в 1 дм3 воды 9—Юмг кислорода его количества, содержащегося в этом объеме воды (15—17 мг), может хватить на дыхание зерна лишь в течение 15 мин. После расхода имеющегося в воде кис- лорода может наступить анаэробное дыхание зерна, т. е. анаэроб- ное разрушение запасных углеводов зерна с образованием этано- ла, СО2 и других продуктов. Даже при очень низких концентрациях, всего в несколько ты- сячных долей процента, спирт тормозит развитие зародыша, 0,1%-й раствор значительно угнетает, а 0,8%-й почти полностью подавляет его рост. Диоксид углерода, накапливающийся как при аэробном, так и при анаэробном дыхании, отрицательно влияет на жизненные процессы зерна. Продукты анаэробного дыхания, являющиеся клеточными ядами, угнетают нормальные жизненные процессы, ведут к разру- шению структуры тканей, автолизу. Для обеспечения нормально- го дыхания зерна при замачивании используют искусственную аэрацию зерна. Главным фактором, влияющим на скорость замачивания, явля- ется температура воды. Чем выше температура, тем быстрее вода проникает в зерно. Это объясняется тем, что с ростом температу- ры повышаются набухаемость органических коллоидов (белков, крахмала, клетчатки) и скорость диффузии воды вследствие уве- личивающегося молекулярного движения и понижения вязкости воды (около 2 % на 1 °C). В результате этого с повышением темпе- ратуры замочной воды продолжительность замачивания значи- тельно сокращается. С повышением температуры замочной воды усиливается дыха- ние зерна, а также происходит интенсивное размножение микро- организмов, которые всегда в изобилии находятся на его поверх- ности. В связи с этим резко возрастает расход кислорода. Темпе- ратура 12—14 °C считается оптимальной для замачивания ячменя, 78
к как при более низкой (ниже 10 °C) температуре сильно тормо- зится развитие зародыша, а при более высокой происходит обиль- ное развитие микроорганизмов. Однако последними исследовани- ями установлено, что «теплое» замачивание (при 18 °C и выше) способствует не только интенсификации производства солода, но и улучшению его качества. Но такое замачивание возможно лишь при использовании активных дезинфектантов и интенсив- ной аэрации зерна. На скорость замачивания влияет также размер зерна. Крупное зерно нуждается в более длительном замачивании. Это объясня- ется тем, что в крупном зерне удлиняются пути, по которым вода проникает в зерно. Только одинаковые по размеру зерна достига- ют при замачивании одинаковой влажности и равномерно разви- ваются при проращивании. Поэтому необходимо разделять зерно- вую массу на фракции по размеру. Продолжительность замачива- ния у разных видов зерна неодинаковая. Так, при температуре воды 12—13 °C для замачивания проса достаточно 2 сут, ячменя — 2, овса — 1,5, а ржи — 1 сут. В замочную воду с поверхности зерна переходят загрязне- ния — органические и неорганические вещества. Вследствие этого создаются благоприятные условия для развития много- численных микроорганизмов, которые находятся на поверхнос- ти зерен и способствуют более быстрому использованию кисло- рода. Следовательно, зерно необходимо тщательно мыть в на- чальный период замачивания и дезинфицировать. В качестве дезинфицирующих средств при замачивании зерна используют хлорную и негашеную известь, формалин, перманганат калия, пероксид водорода и др. На скорость замачивания влияет минеральный состав замоч- ной воды. В более мягкой воде замачивание ячменя происхо- дит быстрее. С ростом жесткости воды продолжительность зама- чивания увеличивается. Поэтому для замачивания целесообразно употреблять воду жесткостью до 7 мг • экв/дм3. Некоторые химические вещества, добавленные в замочную воду (пероксид водорода, перманганат калия), оказывают стиму- лирующее действие на жизнедеятельность зерна. Из биологичес- ких стимуляторов роста применяют гиббереллин, никозан-3, фер- ментные препараты и др. Очень важно не допускать перезамачивания зерна, которое мо- жет поглотить до 68 % влаги. В перемоченном зерне хорошо раз- виваются плесени, появляются признаки брожения с образовани- ем спирта, углекислоты, с повышением кислотности и появлени- ем фруктового запаха (продуктов неполного окисления). Такое зерно плохо прорастает. Недозамоченное зерно (менее 40 % влажности) можно довес- Ти до требуемой влажности опрыскиванием водой в первые дни проращивания. 79
3.2.2. СПОСОБЫ ЗАМАЧИВАНИЯ ЗЕРНА К современным способам замачивания зерна относятся: воз- душно-водяное, в непрерывном токе воды и воздуха, ороситель- ное и воздушно-оросительное. В зависимости от температуры применяемой воды различают холодное (температура воды 10 °C), обыкновенное (температура воды 12—15 °C), теплое (температура воды 17—25 °C) замачивание. Воздушно-водяное замачивание. В замочный чан наливают воду до половины его объема. Взвешивают на автоматических весах отсортированное зерно и засыпают его тонкой струей в чан с водой. Для лучшего смачивания и мойки зерно перемешивают сжатым воздухом. После засыпки всей порции зерна в чан слой воды должен быть выше поверхности зерна на несколько сантиметров. В первой воде, предназначенной для промывки, зерно нахо- дится в течение 1—2 ч. За это время легкие зерна и сорные приме- си (сплав) всплывают и тотчас же удаляются. Затем это зерно моют вторично, грязную воду вытесняют свежей водой, которую подают снизу. Промывают зерно до тех пор, пока вода не будет чистой, после этого добавляют в воду дезинфицирующие вещества и зерно оставляют в воде на несколько часов. По этому способу замачивания зерно поочередно на 3—6 ч оставляют в воде (водяное замачивание) и без воды (воздушное замачивание). Эту операцию повторяют до тех пор, пока влаж- ность замоченного зерна достигнет требуемого уровня. Продол- жительность замачивания зависит от температуры воды и каче- ства и вида зерна. Для обеспечения жизнедеятельности зерно через каждый час продувают воздухом в течение 5 мин независимо от того, находит- ся ли оно под водой или без воды. Один раз в смену перед спуском воды зерно перемешивают сжатым воздухом около 40 мин, перекачивая его через централь- ную трубу. В чанах другого устройства каждую смену в течение 15 мин зерно перемешивают продуванием воздуха через кольце- вой барботер. Замачивание в непрерывном токе воды и воздуха. При воздушно- водяном способе замачивания кислород, растворенный в воде, по- глощается зерном в течение первых 30—40 мин. Периодическое продувание воздуха при замачивании также не обеспечивает рав- номерного дыхания зерна. По способу, предложенному Н. И. Булгаковым, ячмень замачи- вают при непрерывном токе воды, содержащей достаточное коли- чество растворенного в ней воздуха. Замочные чаны для этого способа оборудуют барботерами. Для насыщения воды воздухом и подачи его вместе с водой устанавливают смеситель. 80
Воду на замачивание подают из водонапорного бака, имеющего подводку пара для подогрева воды от 12 до 17 °C в зависимости от качества ячменя. Смеситель для воды и воздуха монтируют на ма- гистральной трубе вблизи замочного чана. Подачу воды и воздуха регулируют вентилями с обратными клапанами. Барботер поме- щают в конусной части замочного чана. Замачивание проводят по следующей схеме. В замочный чан наливают воду до половины его объема, засыпают ячмень и тща- тельно перемешивают воздухом. Через 10—15 мин после загрузки зерна прекращают подачу воздуха в чан, а поднявшийся на по- верхность воды сплав через час снимают. Вновь подают воду, зер- но в воде перемешивают воздухом, моют, дезинфицируют. Затем открывают одновременно водяной и воздушный вентили, напол- няют чан свежей водой и устанавливают небольшой ток воды сни- зу, чтобы она стекала тонкой струей через сплавную коробку. Ин- тенсивность продувания регулируют так, чтобы на поверхности воды над зерном непрерывно выделялись пузырьки воздуха. Про- должительность замачивания зерна при непрерывном токе воды и воздуха зависит от температуры воды и свойств зерна. По дости- жении требуемой степени замачивания воду из чана спускают че- рез нижний кран, а зерно передают в солодорастильное отделе- ние. При этом способе замачивания прорастание зерна заканчивает- ся на сутки раньше, чем при воздушно-водяном замачивании Воздушно-оросительное замачивание. Этот способ обеспечи- вает благоприятные условия для жизнедеятельности зародыша, хорошее разрыхление и лучшую ферментативную активность солода. После мойки и дезинфекции ячменя в чан набирают воду и зерно оставляют под водой на 6 ч. Затем воду спускают и начина- ют орошение зерна с помощью сегнерова колеса или другого уст- ройства. Вода из чана вытекает через открытый вентиль спускной трубы. Через зерно периодически пропускают сверху вниз воздух, подаваемый вентилятором. Орошение с аэрированием и неболь- шими выдержками зерна под водой повторяют до получения не- обходимой влажности зерна. Оросительное замачивание. Замочный чан заполняют водой и зерном, перемешивают, снимают сплав, проводят мойку и дезин- фекцию зерна. Затем зерно выдерживают несколько часов под во- дой и сливают ее. Подают воду в сегнерово колесо или другое при- способление и непрерывно орошают ею зерно. Вода просачивает- ся через зерно, увлажняет его, доставляет свежий воздух и уносит с собой накопившийся диоксид углерода. Так обеспечивается не- прерывная аэрация зерна, необходимая для его нормального ды- хания и прорастания. Пивоваренный солод замачивают при температуре воды 10—15 °C 1 течение 48—72 ч до достижения влажности 42—47 %. 81
В спиртовом производстве ячмень, пшеницу, тритикале, овес и рожь замачивают при температуре воды 15—20 °C до достижения влажности 38—40 %. Продолжительность замачивания ячменя, пшеницы, овса — 18—20 ч; ржи и тритикале — 12—14 ч. Просо относится к теплолюбивым культурам, поэтому его за- мачивают при температуре воды 25—30 °C в течение 22—24 ч до влажности 35—38 %. 3.3. ПРОРАЩИВАНИЕ ЗЕРНА Замоченное зерно проращивают на токовых или пневматичес- ких солодовнях с соблюдением определенных условий (влажнос- ти, температуры и степени аэрации зерна). При проращивании зерна в нем происходят морфологические, цитологические и био- химические изменения. 3.3.1. МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ И ЦИТОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЗЕРНА Процесс проращивания зерна начинается с постепенного развития зачаточных органов зародыша — корешков и лепест- ка. Сначала корешок развивается под оболочками. Затем обо- лочки прорываются у основания зерна и корешок выходит на- ружу. Этот момент характеризуется появлением «глазка» или «наклевыванием» зерна. Потом корешок разветвляется, образуя 3—5 корешков. Лепесток развивается и растет по направлению к верхнему кончику зерна, продвигаясь между семенной и мякин- ной оболочками на спинной (тыльной) стороне зерна. Поэтому у пленчатого зерна он не виден, а у беспленчатого зародышевый листок сразу пробивается наружу у края щитка. Вышедший из кончика зерна лепесток называется проростком. При производ- стве пивоваренного солода проращивание зерна прерывают до появления проростков, в спиртовом производстве солод прора- щивают более длительное время, поэтому в нем допускается по- явление проростков. В нормальных условиях солодоращения к концу проращива- ния длина корешков достигает 1,5—2-кратной длины зерна, за- родышевый лепесток — 2/3—3/4 длины зерна Таковы морфо- логические изменения зерна. Наряду с ними происходят и ци- тологические изменения, или растворение эндосперма. Эндо- сперм становится рассыпчато-мягким и легко растирается меж- ду пальцами. Растворение эндосперма происходит под действи- ем цитолитических, протеолитических и пектолитических фер- ментов. Благодаря этому открывается путь в клетки зерна для 82
Рис. 3.3. Растворение эндосперма по дням проращивания (точками обозначена растворенная часть зерна) других гидролитических ферментов. Процесс растворения начи- нается возле зародыша и по мере прорастания зерна продвигается к его острому концу (рис. 3.3). 3.3.2. БИОХИМИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЗЕРНА Большая часть ферментов, содержащихся в зерновых злаках, связана с белками и находится в зимогенном (неактивном) со- стоянии. При проращивании зерна ферменты переходят в сво- бодное, активное состояние и появляется возможность новооб- разования ферментов. По классической теории гидролитические ферменты (проте- азы, амилазы, фосфатазы, липазы) выделяются или образуются щитком зерна при развитии его зародыша и перемещаются через эпителий щитка в эндосперм, вызывая в нем изменения — раство- рение клеточных стенок и белков, благодаря чему крахмал стано- вится доступным для действия амилаз. В настоящее время предложена новая теория, по которой заро- дыш лишь частично участвует в синтезе ферментов, в основном же он является продуцентом гормонов, биоактиваторов, подобных гиббереллинам, которые диффундируют в алейроновый слой зер- на и активируют синтез ферментов. Таким образом, эндосперм зерна разрыхляется в основном ферментами, извлекаемыми из ткани алейронового слоя, и в меньшей степени ферментами раз- вивающегося зародыша. В прорастающем зерне происходит накопление необходимых Для бродильного производства ферментов, в частности а- и Р-ами- лазы, декстриназы, цитолитических, протеолитических и пекто- литических ферментов, оксиредуктаз, липаз и фосфатаз. В про- росшем зерне активность амилолитических ферментов увеличива- ла Ся.в Раз> протеолитических — в 4, цитолитических — в 2—3, Фосфатаз-в 7-10 раз. 83
3.3.3. ИЗМЕНЕНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ЗЕРНА Под действием ферментов в прорастающем зерне происходят процессы распада и синтеза. Запасные вещества эндосперма (крахмал, гемицеллюлоза, белки) подвергаются гидролизу; образу- ющиеся растворимые вещества поступают через щиток в зародыш, где происходит синтез новых веществ. Крахмал под действием амилазы превращается в сахара, одна часть которых расходуется на дыхание зерна, а другая остается в прорастающем зерне и пере- ходит в зародыш, где вновь превращается в крахмал. Часть маль- тозы под действием а-глюкозидазы превращается в глюкозу. Со- держание моносахаридов и дисахаридов при проращивании зерна увеличивается в 3—4 раза. Под действием цитолитических ферментов происходит гидро- лиз гемицеллюлозы с образованием пентоз и гексоз Белки зерна под действием протеолитических ферментов раз- лагаются с образованием пептидов и аминокислот Одновременно происходит и биосинтез азотистых соединений. Около 55 % бел- ков зерна при проращивании гидролизуется до аминокислот. Часть из них (примерно 25 %) вновь расходуется в корешках и за- родышевом листке на синтез качественно других белков, содержа- ние аминокислот в солоде по сравнению с зерном увеличивается примерно в 4,5 раза. При солодоращении происходит расщепление фосфороргани- ческих соединений под действием фосфатаз, в частности фермент фитаза катализирует превращение фитина (кальциево-магниевой соли инозитфосфорной кислоты) в инозит (шестиатомный цикли- ческий спирт) и кальциево-магниевую соль фосфорной кислоты (первичные фосфаты). Общая (титруемая) кислотность во время солодоращения по- вышается с 1,5—2,5 до 4,5—7,5 см3 1 М раствора щелочи на 100 г зерна. Повышение кислотности происходит в результате образо- вания карбоновых кислот при неполном окислении углеводов и дезаминирования аминокислот. Кроме того, кислотность повы- шается за счет образования кислых соединений фосфорной кис- лоты (первичных фосфатов). В процессе солодоращения активная кислотность мало изменяется и находится в пределах 6. 3.3.4. ДЫХАНИЕ ЗЕРНА Процесс прорастания зерна сопровождается интенсивным ды- ханием. В результате выделения теплоты при дыхании температу- ра прорастающего зерна повышается. Чем выше температура, тем интенсивнее дыхание зерна и образование ферментов, но тем больше потери ценных веществ зерна — углеводов. Приток возду- ха стимулирует процесс дыхания, а выделяющийся при дыхании 84
оксид углерода замедляет и может полностью приостановить При дыхании зерна происходит как полное, так и частичное исление сахаров с образованием альдегидов и карбоновых кис- °от В случае недостаточного притока воздуха и анаэробного ды- хания образуются этанол и диоксид углерода, которые губительно ействуют на зерно. Следовательно, в зависимости от степени аэрации в зерне кроме диоксида углерода всегда образуется неко- торое количество продуктов неполного окисления и сбраживания сахаров и продуктов их взаимодействия — альдегидов, карбоновых кислот, этанола и эфиров. В ячменном свежепроросшем солоде обнаружены следующие кислоты: щавелевая, лимонная, яблочная, молочная, янтарная, муравьиная, уксусная и пропионовая. Наличие кислот, спирта и эфиров обусловливает специфический приятный запах ячменного солода, напоминающий запах свежих огурцов. 3.3.5. ОСОБЕННОСТИ ПРОРАЩИВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР Активность ферментов и глубина биохимических процес- сов в прорастающем зерне зависят от температуры, интенсив- ности дыхания и продолжительности солодоращения, сортовых особенностей, влагосодержания и химического состава зерна. Это учитывается при производстве солода из различных зерно- вых культур. В спиртовом производстве качество солода определяется в ос- новном активностью амилолитических ферментов, для накопления которых требуется длительное проращивание. Проращивание всех культур, за исключением проса, проводят при температуре 19—20 °C в течение первых 2 сут, в дальнейшем снижая ее ежесуточно на 1—2 °C и доводя к концу процесса до 13—14 °C. Длительность про- ращивания ячменя и овса 10 сут. Влажность готового солода дово- дят до 44—45 %. Рожь, тритикале и пшеницу проращивают в тече- ние 7—8 сут при доведении конечной влажности до 40—41 %. Зерно этих культур ложится более плотным слоем, для увеличения сква- жистости его смешивают с двух-трехсуточным ячменным или ов- сяным солодом и проращивают при более высоких температурах. В течение первых 2 сут поддерживают температуру 26—30 °C, по- степенно снижая к концу процесса до 25—26 °C. Продолжитель- ность солодоращения 5—6 сут, конечная влажность 40—42 %. В пивоваренном производстве для получения светлого солода чмень проращивают при низкой температуре — от 13 до 18 °C, я приготовления темного солода в первые сутки проращивания мпература должна быть 15—17 °C, а в последующие ее повыша- ла 2^—25 °C. Продолжительность проращивания светлых соло- дов 6—7 Сут, ТеМных — 8—9 сут. 85
3.3.6. СПОСОБЫ ПРОРАЩИВАНИЯ ЗЕРНА На предприятиях бродильной промышленности проращивание зерна осуществляют в специальных помещениях, называемых со- лодовнями. Солодовни бывают токовые и пневматические. Проращивание зерна на токовых солодовнях. Осуществляется на току — ровной цементной площадке. Замоченное зерно выгружа- ют на вымытый и продезинфицированный ток и укладывают грядку высотой примерно 40 см. Для подвода кислорода воздуха, отвода диоксида углерода и снижения температуры зерно 2—3 раза в сутки перелопачивают вручную или посредством передвижного ворошителя (мальтомобиля). После каждого перелопачивания вы- соту грядки уменьшают и к концу проращивания доводят до 15 см. На спиртовых заводах перед перелопачиванием в связи со сравни- тельно низкой влажностью замоченного зерна его дополнительно поливают водой. На пивоваренных заводах влажность замоченно- го зерна выше и дополнительное увлажнение прорастающего зер- на обычно не проводят. Температура воздуха в солодовнях должна быть 10—12 °C. Солодоращение на току является устарелым способом. Токо- вые солодовни занимают большую площадь, проращивание на току требует значительных затрат труда, в летнее время года труд- но регулировать температуру солода. Поэтому широкое примене- ние находит пневматическое солодоращение. Проращивание зерна в пневматических солодовнях. В настоя- щее время почти повсюду солод готовят в пневматических со- лодовнях. В этих солодовнях полностью механизированы про- цессы солодоращения, сокращены производственные площади, устранено влияние внешних факторов, облегчен труд рабочих, увеличена производительность солодовен. Различие между пнев- матическим и токовым солодорашением заключается в том, что при пневматическом методе проращивания замоченное зерно насыпают в ящики или барабаны высоким слоем — от 0,6 до 1,5 м и продувают кондиционированным воздухом. Ворошат зер- но во время проращивания вращением аппарата или механичес- кими ворошителями. Каждая пневматическая солодовня состоит из аппаратов для солодоращения (ящиков или барабанов), вентиляционной уста- новки и камеры для кондиционирования воздуха по влажности и температуре. На пивоваренных и спиртовых заводах наибольшее распро- странение получили ящичные солодовни. Солодоращение в них производится независимо от климатических условий. Зерно при проращивании охлаждается проветриванием снизу вверх соответ- ственно режиму увлажненным и очищенным воздухом. Ящичные солодовни бывают различной конструкции: с пода- чей воздуха в ящики сверху или снизу; механизированные закры- 86
в которых каждый ящик заключен в отдельную камеру, и ме- ханизированные открытые, в которых все ящики находятся в од- ном помещении. Наибольшее распространение получили солодовни с открыты- ш ящиками, в которых воздух подают снизу вверх. Обслуживание таких солодовен более удобное, но в помещениях на стенах и по- толке образуются сырость и плесень. В зависимости от температуры солода и помещения, а также от интенсивности роста продувание кондиционированным воздухом проводится непрерывным или периодическим способом. При этом зерно снабжается кислородом воздуха и охлаждается, удаля- ется диоксид углерода. Особенностью солодоращения в ящичных солодовнях является усиленная аэрация зерна, которая влияет на качество получаемого свежепроросшего солода. Качество свежепроросшего солода, по- лученного в ящичной солодовне, и химический состав его почти одинаковы с солодом, полученным в токовых солодовнях, но вы- ход солода и экстрактивность его выше. Форма ящика прямоугольная, наиболее распространенные ши- рина 3 м и длина 15—18 м, пол ящика под ситом делают бетон- ным, гладким, с уклоном в сторону канализационного трапа, стенки изготовляют в основном из железобетона. Поверхность стенок обрабатывают водным раствором цемента (железнение). В открытых ящиках стенки деревянные разборные. Высота сте- нок ящика над ситами от 1 до 1,75 м, а подситового пространства до 2 м. Сита изготовляют из оцинкованной или нержавеющей ста- ли толщиной 3 мм с отверстиями в виде узких щелей шириной 1,8—2,0 мм и длиной 20 мм. Для проращивания проса использу- ют сита со штампованными круглыми отверстиями диаметром 1 мм. Сита состоят из отдельных прямоугольных секций, кото- рые укладывают рядами на рельсы, расположенные горизонталь- но по длине ящиков. Для осмотра подситового пространства в небольших ящиках сита изготовляют на шарнирах или съемны- ми, в широких ящиках боковые сита крепятся неподвижно, а средние — на шарнирах. Рядом с помещением, где установлены ящики, размещают вен- тилятор и камеру для кондиционирования (охлаждения или на- гревания и увлажнения воздуха). Камера кондиционирования состоит из каналов, разделенных заслонками или шиберами. Каналы предназначены для подогрева оздуха, их оборудуют калорифером и подогревают паром. В каме- Р Шля увлажнения воздуха устанавливают форсунки, которые рас- на^ц107 ВОДУ до мельчайших частиц и образуют завесу в виде тума- Для сбора воды, поступающей от форсунок, служит сборник, правление воздуха требуемой влажности и температуры регули- 87
руют заслонками. В зимний период влажность холодного воздуха должна быть на уровне 95—100 %, а температура на 5—7 °C ниже температуры продуваемого зерна. Солод ворошат 2—3 раза в сутки в зависимости от качества ячменя и температуры солода. Проращивание зерна в солодовнях системы «передвижная гряд- ка». Наряду с другими способами заслуживает внимания способ солодоращения в пневматической солодовне типа «передвиж- ная грядка». Он отличается от других способов тем, что ворошение солода производится механизированным способом ворошителем особой конструкции — типа ковшового конвейера, который по мере про- растания солода перемешается на решетке в одну сторону. Для проращивания солода по способу «передвижной грядки» вместо 7—8 ящиков делают 1 ящик длиной 30—50 м и шириной 3—5 м при минимальной высоте помещения 3,2 м. Размеры ящика зависят от размера производственного помещения и планируемой производительности. Стены и пол ящика делают из бетона, при- чем пол выполняют с уклоном в сторону канализационного тра- па. На расстоянии 150—160 см от пола укладывают сита из оцин- кованной или нержавеющей стали. Подситовое пространство пе- регорожено кирпичными стенками по всей ширине ящика на 16—18 отделений, в которые от центральной увлажнительной ка- меры поступает кондиционированный воздух. Ворошитель состоит из подвижной каретки с бесконечным ковшовым конвейером. Каретку ворошителя устанавливают на рельсы, уложенные на стенках вдоль ящика. При движении воро- шителя ковши зачерпывают солод, переносят его через каретку и сбрасывают назад на вновь укладываемый слой солода. Замоченное зерно разгружают на площадь сита, расположен- ную над первым и вторым подситовыми отделениями. Ворошат зерно 2 раза в сутки — через 12 ч ворошитель перебрасывает его на сита над третьим и четвертым ситовым пространством. На свобод- ную площадь загружают новую партию замоченного зерна. Через 12 ч первую грядку с площади третьего и четвертого отделений пе- ремещают на пятое и шестое отделения, а вторую грядку с площа- ди над первым и вторым отделениями перемещают на площадь над третьим и четвертым отделениями и т. д. Таким образом зерно постепенно перемешается от одного конца ящика к другому. Све- жепроросший солод сбрасывают тем же ковшовым конвейером в бункер и направляют в сушилку или на дробление. Скорость ворошителя 0,2—0,3 м/мин. Высота слоя замоченно- го зерна 70—80 см, а готового солода 1 м. Один ворошитель может обслужить три ящика. При работе этой солодовни одно или два отделения оставля- ют свободными, что позволяет очистить и промыть сита. Во время мойки ворошителя смежные грядки укрывают брезентом или клеенкой. 88
Воздухоохладительную систему при этом способе солодораще- Ия используют так же, как и в ящичных солодовнях. При ворошении солода ворошитель движется в сторону загруз- ки ячменя. За один проход солод перемещается на площадь, рав- ную плошади одного подситового отделения, а за одни сутки — двух отделений. Закончив ворошение всех грядок, ворошитель автоматически останавливается, поднимает ковшовый конвейер выше уровня грядок и возвращается в исходное положение. Преимущества солодоращения по способу «передвижной гряд- ки» следующие: отпадает необходимость разгрузки ящиков, пе- релопачивание производится механизированным способом, со- храняется качество солода, более целесообразно используется производственная площадь солодовни и увеличивается ее про- изводительность. Солодоращение в барабанных солодовнях. Барабанные солодов- ни — наиболее усовершенствованный тип пневматических соло- довен. В них находится оборудование для проращивания (бараба- ны) и установки для кондиционирования и продувания воздуха. Ворошение солода происходит при вращении барабана. Барабаны бывают закрытые и открытые. Закрытые барабаны отличаются от открытых тем, что в них проращиваемый солод изолирован от внешней среды. Закрытые барабаны бывают двух видов: с центральной ситчатой трубой и с ситчатой перегородкой. У открытых барабанов поверхность ситчатая. Для проветривания солода и удаления диоксида углерода про- водят искусственную вентиляцию. Солод ворошат периодическим вращением барабана, а проду- вают воздухом во время остановки барабана. Барабан вращается со скоростью 1,3 ч-1. 3.3.7. КАЧЕСТВО СВЕЖЕПРОРОСШЕГО СОЛОДА Важный показатель солода — его ферментативная активность. В спиртовом производстве определяют амилолитическую (АС) и осахаривающую (ОСп) способности, по которым рассчитывается расход солода на осахаривание. АС — это способность ферментов со- лода гидролизовать крахмал до декстринов, не окрашиваемых йодом. За единицу амилолитической способности принимают такое количе- ство фермента, под действием которого в строго определенных усло- виях за 1 ч расщепляется 1 г крахмала до бесцветных декстринов. За единицу осахаривающей способности принимают такое ко- ичество фермента, которое в строго определенных условиях гид- Р лизует 1 г крахмала до низкомолекулярных углеводов. Сценка качества солода в спиртовой промышленности приве- 89
Показатели оценки качества солода Таблица 31 Солод Влажность, % Качество А 1 хорошее среднее удовлетворите иное С, ед. ОСп, ед. АС, ед. 1 1 2 ОСп, ед. АС 1 ед. 2 ОСп, ед. Ячменный 44-45 5 35 5,0 4,5 27 3,9 4 20 2,8 Ржаной 40-41 4 20 3.5 3,5 19 2,65 3 18 1,8 Овсяной 44-45 5 25 2,5 4,0 20 2,0 3 15 1,5 Просяной 40-42 3 12 1.0 2,5 10 0,75 2 8 1,5 Примечание. Цифра 1 означает, что АС определяли визуальным методом; цифра 2 — колориметрическим. Одним из основных требований, предъявляемых к пивоварен- ному солоду, является его быстрая самоосахариваемость, опреде- ляемая по амилолитической способности солода, которая выража- ется количеством мальтозы (в граммах), образующейся из крахма- ла, под действием ферментов 100 г солода. АС светлого свежепро- росшего солода 300—400, темного солода 400—500 ед/г. 3.4. ПОЛУЧЕНИЕ СОЛОДОВОГО МОЛОКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭТАНОЛА Чтобы ферменты свежепроросшего солода перешли в осахари- ваемую массу и крахмал растворился, солод измельчают на валь- цовых, дисковых и молотковых дробилках. На большинстве заводов установлены двухвальцовые дро- билки с вальцами диаметром 646 и 242 мм и длиной 345 мм. Вальцы имеют гладкую поверхность и вращаются навстречу друг другу с одинаковой частотой — около 180—200 мин . Попадающий между ними солод раздавливается и истирает- ся. Чтобы предохранить поверхность вальцов от повреждения случайно попавшими металлическими предметами и камеш- ками, малый валец имеет подвижные подшипники с пру- жиной. Для снятия прилипшего к поверхности вальцов слоя солода служат скребки, прижимаемые противовесами. Подача свежепроросшего солода осуществляется питающим устрой- ством. Производительность дробилки 750 кг/ч солода, потреб- ляемая мощность 5,2 кВт. На крупных заводах установлены дисковые дробилки, ра- бочим органом которых являются два вертикальных стальных диска диаметром 650 мм с рифленой поверхностью. Один из дисков подвижен, а другой вращается с частотой 750 мин 90
Расстояние между дисками регулируется особым приспособ- ‘ нием. Диски заключены в чугунную коробку, имеющую ^агрузочный карман и разгрузочную трубу. Из кармана через 3 рез в центре неподвижного диска солод вместе с неболь- Впим количеством воды непрерывно поступает на дробящие по- верхности и выходит в виде густого молока. Производитель- ность дробилки около 1000 кг/ч солода; потребляемая мощ- ность 14,7 кВт. Для дезинфекции солода при гидротранспортировании в транспортную воду добавляют хлорную известь или хлорамин ХБ технический. Раствор хлорной извести готовят из расчета 400 мг активного хлора на 1дм1 * 3 воды. В воде с указанной концентрацией активного хлора солод выдерживают в тече- ние 25—30 мин. При подаче ленточным конвейером или ковшовым элевато- ром солод обрабатывают в течение 25—30 мин в сборнике с ме- шалкой водным раствором хлорной извести, который затем спускают в канализацию. При отсутствии хлорной извести ис- пользуют формалин из расчета 2,8 дм3 30%-го формальдегида на 1 м3 воды. Тонкоизмельченный солод дополнительно обрабатывают формалином в сборнике с мешалкой. В этой емкости солод смешивают с водой в соотношении 1 ; 2—2,5, после чего в солодовое молоко (на 1 м3) добавляют 25—28 см3 37%-го раст- вора формалина с таким расчетом, чтобы концентрация его в сусле составляла 0,025 %. Раствор выдерживают в течение 25—30 мин, разбавляют чистой водой и перекачивают в рас- ходный сборник. Общий расход воды составляет 4—5 дм3 на 1 кг солода. На Вузловском спиртовом за- воде механическую активацию ферментов солодового молока проводят на специальной уста- новке (рис. 3.4). Способ заключается в том, что солодовое молоко подверга- ют воздействию механически- ми импульсами высокой часто- ты (75 тыс. им/мин) с большим перепадом давления, в результа- те чего увеличиваются выделе- ние и переход в активное состо- яние ферментов и, как след- ствие, амилолитическая актив- ность солода возрастает. Измельченный солод Рис. 3.4. Установка для механичес- кой активации ферментов солодового молока: 1 — сборник солодового молока; 2 — ло- вушки; 3— ротационно-пульсационные ап параты РПА-1 91
3.5. СУШКА СОЛОДА ДЛЯ ПИВОВАРЕНИЯ Свежепроросший солод не может быть использован для при- готовления пивного сусла, так как по химическому составу он не удовлетворяет предъявляемым требованиям и в связи с боль- шой влажностью является очень нестойким продуктом. Сухой солод — стойкий продукт со специфическими цветом, ароматом и химическим составом получают после сушки свежепроросше- го солода на специальных сушилках при строгом соблюдении температурного режима (при сушке светлого солода температу- ру постепенно повышают с 25 до 75—80 °C, а при сушке темно- го-до 100-105 °C). У сухого солода удаляют ростки, которые после сушки стано- вятся хрупкими, так как готовому пиву ростки придают горький и неприятный вкус. В процессе сушки влажность солода снижается с 45 до 3,5—4 % при получении светлого и до 2 % при получении темного солода. Процесс сушки делится на два периода: в первый — влаж- ность снижается с 45 до 8 % быстро и довольно легко; второй — уменьшение влажности ниже 8 % протекает значительно мед- леннее (собственно процесс высушивания), что свидетельствует о более прочной связи влаги с коллоидными веществами зерна. Наивысшая температура при сушке солода называется темпера- турой отсушки. Кроме удаления влаги во время сушки изменяются объем, вкус, цвет, запах и химический состав солода благодаря протекающим в нем глубоким биохимическим, химическим и физико-химичес- ким процессам В зависимости от влажности и температурного режима про- цессы изменения солода происходят в три этапа: физиологи- ческий — при температуре до 45 °C с понижением влажности солода до 30 %; ферментативный — при температуре от 45 до 70 °C с понижением влажности до 10 %; химический — при тем- пературе от 70 до 105 °C. В первый период сушки зародыш остается «живым»: продолжа- ется рост корешков и стеблевого листочка, протекают фермента- тивные процессы в эндосперме — накапливаются растворимые са- хара, аминокислоты и растворимые белки. Во второй период сушки процессы жизнедеятельности в зер- не затухают, а ферментативные процессы и химические превра- щения продолжаются. В это время необходимо строго следить за температурным режимом сушки: быстрое повышение темпе- ратуры при большой влажности может привести к частичной клейстеризации крахмала, в результате чего получится стекло- видный солод. С повышением температуры активность фермен- тов постепенно уменьшается, а затем действие их прекращает- 92
Оптимальная температура действия большинства гидроли- тических ферментов 45-60 °C. Действие ферментов зависит главным образом от влажности. Поэтому в темном солоде, в котором на этом этапе влажность „тельное время остается на уровне 20—30%, ферменты очень ^ктивны, что обеспечивает наполнение редуцирующих сахаров и а.1ННокислот, необходимых для образования красящих и аромати- ческих веществ. В светлом солоде влажность быстро понижают до Ю%, деятельность ферментов в таких условиях незначительна, что обеспечивает получение солода низкой цветности. На химической стадии при температуре выше 75 °C все фер- ментативные процессы прекращаются, так как ферменты частич- но инактивируются, а частично адсорбируются коллоидами зерна и переходят в неактивное состояние. На этой стадии образуются ароматические и красящие вещества. Основная реакция — мела- ноид инообразован ие протекает за счет окислительно-восстанови- тельных реакций между редуцирующими сахарами и амино- кислотами. Полнота взаимодействия аминокислот с сахарами за- висит от температуры и продолжительности нагревания. Согласно Е. Ходжу меланоидинообразование включает семь основных реак- ций, которые протекают последовательно или параллельно. По развитию окраски эти реакции могут быть разделены на три пос- ледовательно идущие стадии. Продукты первой стадии бесцветны и не поглощают ультра- фиолетового света. Эта стадия включает две реакции: карбонил- аминную конденсацию и перегруппировку Амадори. Продукты второй, промежуточной стадии бесцветные или желтые, сильно поглощают ультрафиолетовый свет. В эту стадию входят следую- щие три реакции: дегидратация сахаров и разложение сахаров и аминосоединений. Конечная, третья стадия, характеризующаяся образованием ок- рашенных продуктов, включает две реакции: альдольную конден- сацию и альдегидаминную полимеризацию. По мере протекания меланоидинообразования в реакционной среде можно практически одновременно обнаружить продукты всех стадий с преобладанием тех или иных веществ. На первой стадии конденсируются сахара с аминокислотами с образованием сахароаминного комплекса, который затем пре- терпевает перегруппировку Амадори, в результате чего образу- ется аминодезоксикетоза. На второй стадии происходит дегид- ратация аминодезоксикетоз с образованием различных соеди- нений (фурфурола, оксиметилфурфурола, редуктонов, альдеги- дов, ацетонов и др.) в зависимости от условий реакции. На ретьей стадии происходят альдольная конденсация образовав- ихся на второй стадии соединений, их альдегидоаминная по- меризация и образование гетероциклических азотистых со- чинений (меланоидинов). 93
На протекание реакции меланоидинообразования наибольшее влияние оказывают следующие факторы: концентрация реагирую- щих веществ и воды. Чем выше концентрация реагирующих ве- ществ и меньше воды, тем интенсивнее образуются меланоидины. Для образования меланоидинов с наиболее приятными органо- лептическими свойствами оптимальной является температура 95—100 °C. При пониженных температурах скорость реакции за- медляется. При повышенных температурах меланоидины образу- ются интенсивнее, однако они обладают слабым ароматом и име- ют плохую растворимость в воде. Реакция меланоидинообразова- ния может протекать в широких пределах pH, однако в щелочной среде она ускоряется. Активность различных аминокислот в реакции меланоидино- образования зависит от температуры, pH среды, количества воды и других факторов. Наибольшей реакционной активностью обла- дают глицин и аланин, которые образуют сильно окрашенные продукты с запахом пива, однако валин и лейцин дают продукты с более сильным ароматом. Фенилаланин и валин менее активны и образуют продукты с темной окраской и нежным ароматом, напо- минающим запах розы. Лейцин дает продукт со слабой окраской, но с сильным хлебным ароматом. Скорость меланоидинообразования зависит также от природы сахаров, вступающих в реакцию. Сахара по активности (сниже- нию ее) можно расположить в такой последовательности; араби- ноза, глюкоза, галактоза, фруктоза. Особенно легко происходит образование меланоидинов с пентозами, из которых наиболее ак- тивна ксилоза. Меланоидины — хорошие пенообразователи. Они обладают явно выраженной кислой реакцией и восстановительными свойствами. 3.5.1. РАЗНОВИДНОСТИ СУШИЛОК ДЛЯ СОЛОДА Для сушки солода применяют различные солодосушилки пе- риодического и непрерывного действия. В качестве сушильного агента применяют любой нагретый в калорифере чистый воздух либо смесь холодного воздуха с топочными газами. Сушилки с калорифером называют воздушными, а бескалориферные, работа- ющие на смеси воздуха с топочными газами, — сушилками с не- посредственным обогревом. В воздушных сушилках топочные газы не соприкасаются с высушиваемым солодом, поэтому сжигаемое топливо может быть любого состава. В сушилках же с непосредственным обо- гревом к топливу предъявляются высокие требования: топоч- ные газы не должны иметь посторонних запахов и взвешенных твердых частиц. Поэтому в топках сушилок с непосредствен- ным обогревом сжигают природный газ, жидкое топливо, кокс 94
некоторые сорта высококачествен- ного антрацита. Наиболее распространены горизон- тальные двух- и трехъярусные сушил- ки. Двухъярусная сушилка (рис. 3.5) пазмешается в прямоугольном или квадратном высоком здании. На пер- вом этаже находится топка 13, на вто- оМ__ тепловая камера 12, в которой располагается калорифер. В полу теп- ловой камеры устроены круглые от- верстия / (воздушные каналы), а в стенках — каналы 8 для поступления наружного холодного воздуха. На тре- тьем этаже расположена камера 10, в которой теплый воздух смешивается с холодным, поступающим из воздуш- ной камеры 2. Температуру воздуха можно регулировать посредством это- го смешивания. В полу камеры сме- шивания установлены короткие же- лезные трубы для прохода воздуха, закрытые колпаками 11, которые пре- дотвращают попадание солодовых рост- ков в тепловую камеру. Рис. 3.5. Схема горизонтальной двухъярусной сушилки Над камерой смешивания (на четвертом этаже) располагается нижняя решетка 9, а над ней (на пятом этаже) — верхняя решетка 7. Сушилка заканчивается сводом, из наиболее высокой точки ко- торого поднимается вытяжная труба для удаления влажного возду- ха. Чтобы увеличить тягу в трубу, выводится дымоход от топки. С этой же целью в вытяжную трубу 4 устанавливают вентилятор 5. Под вытяжной трубой на противовесах подвешивают зонт 6, кото- рый предохраняет верхнюю решетку от попадания атмосферных осадков и служит для регулирования тяги. Свежепроросший солод сначала загружают ровным слоем на верхнюю решетку, где удаляется основная масса влаги, т. е. осу- ществляется стадия подвяливания. Для окончательного высуши- вания и нагревания до более высоких температур солод с верхней решетки сбрасывают на нижнюю через люки, открываемые и за- крываемые со стороны нижней решетки. Для равномерного высу- шивания и нагревания солод на решетках периодически переме- шивают механическими ворошителями 3. Горячий сухой воздух из тепловой камеры поступает сначала в камеру смешивания, а затем последовательно проходит через нижнюю и верхнюю решетки и еРез вытяжную трубу устремляется в атмосферу. •рехъярусная горизонтальная сушилка по конструкции анало- чна двухъярусной и отличается от нее лишь наличием третьей 95
решетки. В последнее время стали применять горизонтальные од- ноярусные сушилки с опрокидывающейся решеткой. Солод в та- кой сушилке сушат без перемешивания, высота слоя достигает 1 м. Такие сушилки более экономичны. В периодических сушилках светлый солод сушат в течение 18—24 ч при температуре 80—85 °C до влажности 3,3—3,5 %. Суш- ка темного солода длится 46—48 ч при температуре 102—105 °C до влажности 1,5—2 %. Для сушки непрерывным способом применяют сушилки Лат- вийской сельскохозяйственной академии (ЛСХА). Эти сушилки широко используют на отечественных заводах для сушки светлого солода. Они позволяют сократить продолжительность сушки до 10—12 ч при экономии теплозатрат на 20—30 %. 3.5.2. ОБРАБОТКА И ХРАНЕНИЕ СОЛОДА Обработка. Ростки удаляют на росткоотбойной машине тот- час же после сушки, пока они не потеряли хрупкость и легко обламываются. Солод шнеком подается внутрь ситчатого цилиндра росткоот- бойной машины, где он подхватывается лопастями, приводится во вращательное движение и ударяется о внутреннюю поверхность цилиндра. Зерна сухого солода перемешиваются и трутся, а ростки обламываются и проваливаются сквозь отверстия в цилиндре и удаляются шнеком. Солод остается внутри цилиндра и винтооб- разными лопастями продвигается к противоположному концу ма- шины, при выходе из которой он обдувается воздухом, подавае- мым вентилятором. Этот же вентилятор отсасывает пыль, образу- ющуюся во время работы. Отходы в виде ростков при очистке со- лода составляют от 2,5 до 4 %. Хранение. Для пивоварения используют солод, выдержанный не менее 3—4 нед. За это время в нем медленно протекают физико-хи- мические процессы, которые окончательно делают его пригодным для производства пива. Неотлежавшийся солод очень хрупкий, вследствие этого мякинная оболочка при дроблении сильно измель- чается, а эндосперм дает много крупки и мало муки, солод плохо осахаривается при затирании, а затор плохо фильтруется. Такой со- лод очень гигроскопичен (быстро поглощает влагу), поэтому хруп- кость его исчезает. За время отлежки влажность солода повышается до 5—6 %. При длительном хранении возможно большее поглоще- ние влаги. На небольших заводах следует хранить солод в закромах слоем 3—4 м. Наиболее целесообразно хранить солод в железобетон- ных силосах, в которых все слои солода в различное время года нахо- дятся в одинаковых условиях. Партии солода, закладываемые на хра- нение, должны быть идентичны по натуре, цветности, экстрактивно- сти, времени осахаривания и другим показателям. 96
3 5 3 ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К КАЧЕСТВУ ГОТОВОГО ПИВОВАРЕННОГО СОЛОДА Согласно техническим условиям на пивоваренный ячменный од (ГОСТ 29294) предусматривается выпуск четырех типов со- лода’ светлого, темного, карамельного и жженого. Карамельный и жженый солоды получают из светлого солода путем термической обработки в специальном обжарочном барабане и применяют для темных сортов пива. По органолептическим показателям выпус- каемый солод должен соответствовать требованиям, приведенным в табл. 3.2 и 3.3. Таблица 3.2 Органолептические показатели светлого и темного солодов Показатель Требования Внешний вид Однородная зерновая масса, не содержащая плесневелых зерен и вредителей хлебных запасов Ивет От светло-желтого до желтого. Не допускаются зеленоватые и темные тона, обусловленные плесенью Запах Солодовый, более концентрированный у темного солода. Не допускаются кислый запах, запах плесени и др. Вкус Солодовый, сладковатый. Не допускаются посторонние при- вкусы Таблица 3.3 Органолептические показатели карамельного и жженого солодов Показатель Солод карамельный жженый Внешний вид Однородная зерновая масса, не содержащая плесневелых зерен Цвет и вредителей хлебных запасов От светло-желтого до буроватого Темно-коричневый. Не до- Запах (как само- с глянцевым отливом Сладковатый. Не допускаются пускается черный Кофейный. Не допускают- го солода, так и горький и пригорелый ся пригорелый и горький холодной и го- рячей вытяжек из него) Вид зерна на срезе Спекшаяся коричневая масса. Темно-коричневая масса. Не допускается обуглившаяся масса Не допускается черная масса По физико-химическим показателям солод должен соответ- вовать требованиям, приведенным в табл. 3.4 и 3.5. 97
Таблица 3.4 Физико-химические показатели светлого и темного солодов Показатель Светлый солод Темный солод высшего качества I класса II класса Солод Проход через сито диаметром ячеек 3,0 5.0 8,0 8.0 2,2 х 20 мм. %, не более Массовая доля, %, не более: сорной примеси Не допускается 0,3 0,5 0,3 влаги (влажность) 4,5 5,0 6,0 5,0 экстракта в сухом веществе солода 79,0 78,0 76 0 74.0 тонкого помола, %, не менее белковых веществ в сухом вещест- 11,5 11.5 12,0 — ва солода Количество зерен, %: мучнистых, не менее 85,0 80,0 80,0 90,0 стекловидных, не более 3,0 5,0 10 0 5,0 темных, не более Не допускается 4,0 Разница массовых долей экстрактов Не более 1,5 1,6—2,5 10,0 Не бо- — в сухом веществе солода тонкого и грубого помолов Отношение массовой доли раствори- 39-41 лее 4,0 мого белка к массовой доле белко- вых веществ в сухом веществе солода (число Кольбаха), % Продолжительность осахаривания, 15 20 25 мин, не более Лабораторное сусло Цвет, см3 0,1 моль/дм3 раствора йода 0,18 0,20 0,40 0,5-1,3 на 100 см3 воды, не более Кислотность, см3 раствора NaOH кон- 0.9-1 1 0 9-1 2 0,9-1 3 центрацией 1 моль/дм3 на 100 см3 сусла Прозрачность (визуально) Прозрач- Прозрач- Допускается не- ное ное большая опалес- ценция Таблица 3.5 Физико-химические показатели карамельного и жженого солодов Показатель Карамельный солод Жженый СОЛОД I класса II класса Массовая доля, %, не более: влаги (влажность) 6,0 6,0 6,0 экстракта в сухом веществе солода, %, не менее 75,0 70,0 70,0 сорной примеси 0,5 0,5 0,5 Количество карамельных зерен, %, не менее 93,0 25,0 — Цвет (величина Литнера), Лн, не менее 20,0 20,0 100,0 98
3.6. ПОЛУЧЕНИЕ РЖАНОГО СОЛОДА Ржаной солод используют для приготовления хлебного кваса и апных сортов хлеба. Ржаной солод получают двух видов: фер- ментированный и неферментированный (диастатический) М Для квасоварения используют лучшие сорта ржи с преоблада- ем зеленой окраски, так как рожь имеет более крупные зерна с ббльшим содержанием крахмала и белков. Для приготовления со- лода следует применять здоровое зерно со способностью прорас- тания не менее 92 %, содержанием белка не менее 12, крахмала не менее 55, слизневых веществ 3—3,5 и экстрактивностью около 70 % к массе сухих веществ. Перед солодоращением свежеубран- ную рожь рекомендуется выдержать в течение 1—1,5 мес для за- вершения физиологического созревания. Принципиальная технологическая схема получения ржаного солода похожа на схему приготовления ячменного солода для пи- воварения. Различия составляют лишь технологические режимы процесса. Процесс получения ржаного ферментированного солода вклю- чает следующие технологические стадии: очистку, сортирование, замачивание и проращивание зерна, ферментацию (томление) свежепроросшего солода и сушку ферментированного солода. В производстве неферментированного ржаного солода для со- хранения активности ферментов отсутствует стадия ферментации. Ферментацию (томление) свежепроросшего солода проводят только при производстве ферментированного солода с целью на- копления красящих и ароматических веществ. При томлении температура в слое зерна постепенно увеличи- вается с 40—45 °C (в начале томления) до 60—63 °C (в конце том- ления), таким образом создаются благоприятные условия для ак- тивного действия амилолитических и протеолитических фермен- тов солода, накопленных в процессе солодоращения, на крах- мальные и белковые вещества. В солоде накапливаются аминокислоты и сахара, при взаимодействии которых образуют- ся ароматические и красящие вещества (меланоидины), обуслов- ливающие характерные вкус, запах и цвет черного хлеба. Кроме того, активизируются цитолитические и другие ферменты соло- образом, процесс томления характеризуется интенсив- ным ферментативным гидролизом углеводов, белков и других ве- ществ ржаного солода. К концу томления содержание редуциру- щих сахаров возрастает в 5—6 раз, аминного азота — в 4—5 раз, в 2^2^ЛЯРНая масса гемицеллюлоз и гуми-веществ уменьшается q ОдновРеменно возрастают кислотность и цветность солода. суи,ако основное накопление красящих веществ происходит при тИм*е’ Тй“ Как темпеРатУРа томления (60—66 °C) не является си- льной для реакции меланоидинообразования. 99
Для повышения концентрации ароматических веществ томле- ный солод рекомендуется подвергать термической обработке при 105 °C в течение 5 ч, чтобы влажность его была не ниже 3,5 %. Технология ржаного ферментированного солода. При получении ферментированного солода замачивание ржи проводят по одному из общепринятых способов до влажности 46—50 % при температу- ре 14—18 °C в течение 24—36 ч. Замоченное зерно проращивают в пневматической или токо- вой солодовне при периодическом ворошении и аэрации конди- ционированным воздухом 3—4 раза в сутки. Ферментацию солода проводят при увлажнении его до 50—60 % и повышении темпера- туры до 60—63 °C в конце томления в течение 5—6 сут. Ферментированный солод сушат в течение 36 ч с доведением температуры до 90—100 °C, которую поддерживают в конце про- цесса в течение 2 ч. НПО НМВ и КГУПП проведены исследования по повышению качества ржаного ферментированного солода и оптимизации про- цесса его производства. В результате исследований разработана технология получения ржаного ферментированного солода стати- ческим способом с совмещением основных технологических про- цессов в одном агрегате. Очищенную на зерноочистительных машинах и отсортирован- ную на ситах рожь направляют на мойку и дезинфекцию в моеч- но-замочные аппараты, которые предварительно заполняют во- дой, температура которой зимой должна составлять 16—20 °C, а летом — 12—16 °C. Помещенное в аппарат зерно перемешивают воздухом и оставляют в покое на 30—45 мин, затем снимают сплав, вновь перемешивают и снова снимают сплав. Проводят одну-две промывки в зависимости от степени загрязнения зерна, затем его подвергают дезинфекции водным раствором КМпОд (25—50 г на 1 т) или хлорной извести (300 г на 1 т) в течение 1 ч, воду сливают, а зерно промывают свежей водой и гидротранспор- том направляют в солодорастильный ящик. На мойку, дезинфекцию и перекачку ржи расходуется около 4—6 м3 воды на 1 т зерна. В солодорастильном ящике зерно раз- равнивают шнековым ворошителем так, чтобы высота слоя со- ставляла 60—70 см, и оставляют в покое на 4—6 ч. Рожь замачивают путем периодического орошения водой тем- пературой 12—20 °C, разбрызгивая ее из форсунок, установленных на ворошителе, через каждые 4—6 ч до достижения влажности зерна 48—52 %. Обычно проводят 4—5 орошений при продолжи- тельности замачивания 24—30 ч. Через каждые 2 ч зерно в течение 20—30 мин продувают влаж- ным кондиционированным воздухом температурой 12—15 °C и от- носительной влажностью 90—98 %. При этом температуру зерна поддерживают на уровне 13—16 °C. При замачивании на 1 т зерна расходуется около 1 м3 воды, а на 100
сдувание — 800 м3/ч воздуха, который подается при избыточ- на давлении в подситовое пространство. н° прорашивание проходит в том же солодорастильном ящике, о и замачивание в течение Зсут. При этом температура в слое '* рна должна быть 14—18 °C При необходимости зерно периоди- чески продувают влажным кондиционированным воздухом. Рав- ЧоМерность проращивания ржи достигается периодическим воро- шением солода через каждые 6—7 ч. Иногда в процессе солодора- шения проводят дополнительные орошения в период ворошений солода. Свежепроросшии солод ворошат с орошением, чтобы повысить влажность до 53—56 %. Для этого используют воду температурой 40—50 °C. Для самосогревания до 45—50 °C солод после вороше- ния оставляют в покое. Эта температура достигается за 13—14 ч с начала ферментации. После достижения необходимой температу- ры в слое солода его постепенно подогревают до 60—65 °C, под- держивая эту температуру в течение всего процесса ферментации. Общая продолжительность томления составляет 2—3 сут. На этой стадии должны быть созданы анаэробные условия при ми- нимальных потерях теплоты. По окончании томления в том же солодорастильном ящике солод сушат сушильным агентом, тем- пература которого на протяжении всей сушки поддерживается на уровне 80 °C. Расход воздуха на сушку в начале сушки составляет около Зтыс. м3/ч на 1 т зерна; в конце — 2 тыс. м3. Последние 10—12 ч сушки, когда влажность солода снижается до 20—26 %, рекомен- дуется применять рециркуляцию отработанного воздуха. Сушка ферментированного солода продолжается в течение 40—48 ч. Данная технология освоена на Бердичевском солодовенном за- воде. Ее преимущества состоят в следующем: сокращается общая продолжительность замочки и проращивания (4 сут вместо 5); со- кращается общий цикл процесса с 12—13 до 9—10 сут; за счет ликвидации транспортирования солода улучшаются условия процесса; сокращаются потери продукта; уменьшаются капита- ловложения на строительство новых солодовен и переоборудова- ние старых. Технология ржаного неферментированного солода. Ржаной не- ферментированный солод в квасоварении применяется реже, чем ржаной ферментированный солод. По этой технологии зерно за- мачивают при температуре 13—16 °C до относительной влажности 45 %. Обычно такая влажность достигается через 32—36 ч. Прора- щивание длится около 3,5 сут; в конце данной стадии длина рост- ка не должна превышать 3/4 длины зерна. Свежепроросший солод ез томления, чтобы сохранить накопившиеся в нем ферменты, управляют на сушку, которую проводят в двухъярусной горизон- альной сушилке по 12 ч на каждой решетке. Температура сушки а верхней решетке достигает 55 °C, а влажность солода понижа- 101
ется до 25 %. Периодически солод ворошат. Через 12 ч после нача- ла сушки солод перемешают на нижнюю решетку, где температура достигает 65 °C. Солод сушат здесь также с периодическим воро- шением. При этом влажность солода снижается до 8 %. При таком режиме сушки солода сохраняются ферменты, нако- пившиеся в нем во время солодоращения. Поэтому ржаной не- ферментированный солод имеет большую ферментативную актив- ность, что особенно важно для осахаривания на стадии затирания. Таблица 3.6 Органолептические и физико-химические показатели сухого ржаного солода Показатель Солод ферментированный неферментированный Органолептические показатели Цвет От коричневого до темно-бурого с красноватым от- тенком Светло-желтый с сероватым оттен- ком Запах Свойственный данному виду солода без запаха плесени и гнили Вкус Кисло-сладкий, приближающийся к вкусу ржаного хлеба, без горького и пригорелого при вкуса Сладковатый Крупнота помола Проход без остатка через сито № 085 Физико-химические показате т Содержание влаги, %, не более: солода в целых зернах 8,0 8,0 солода тонко размолотого Содержание экстрактивных веществ солода при определении методом, % (на абс. СВ), не менее: 10,0 10,0 холодного экстрагирования (экстракт вытяжки) 48,0 — горячего экстрагирования (экстракт осахаривания) — 80,0 горячего экстрагирования с вытяжкой из ячменного солода (экстракт осаха- ривания) 85,0 — Продолжительность осахаривания, мин, не более — 25 102
Продолжение Показатель Солод ферментированный , неферментированный Кислотность при определении мето- дом. см5 раствора NaOH концентрацией [ моть/дм3 на 100 г абсолютно сухого вешества солода: горячего экстрагирования, не более холодного экстрагирования, не менее Цвет солода, см3 1 М раствора Ь на 100 г абсолютно сухого солода при определе- нии методом: горячего экстрагирования холодного экстрагирования Массовая доля посторонних примесей: металлопримеси, мг/кг. не более песка и др. Зараженность вредителями хлебных запасов - 17,0 35.0 - — Не темнее 0.5 10-20 - 3,0 3,0 Нс допускается Основные показатели сухого ржаного солода в соответствии с требованиями ОСТ 18—218 представлены в табл. 3.6.
Глава 4 ПОЛУЧЕНИЕ ЭТАНОЛА ИЗ КРАХМАЛСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ Этанол (этиловый спирт) С2Н5ОН представляет собой прозрач- ную бесцветную жидкость со жгучим и характерным запахом с от- носительной плотностью 0,79067. Температура кипения этанола при нормальном давлении 78,35 °C, температура вспышки 12 °C, температура замерзания — 117 °C. Химически чистый этанол име- ет нейтральную реакцию; ректификованный спирт содержит не- большое количество карбоновых кислот, поэтому реакция его сла- бокислая. Этанол очень гигроскопичен: он жадно поглощает воду из воздуха, растительных и животных тканей, вследствие чего они разрушаются. Спирт ядовит для человека и животных, а также микроорга- низмов. Пары спирта также вредны. Предельно допустимая кон- центрация паров в воздухе составляет 1000 мг/см3. Спирт облада- ет взрывоопасными свойствами. Границы взрывоопасной кон- центрации паров спирта 2,8—13,7 % объема воздуха. Этанол вы- рабатывают из пищевого сырья в виде спирта-сырца крепостью не менее 88 об.% и спирта-ректификата крепостью 96,0— 96,5 об.% в виде спирта-ректификата I сорта, высшей очистки, «Экстра» и «Люкс», «Базис», «Альфа». Производство спирта из крахмалсодержащего сырья состоит из следующих основных технологических стадий: подготовки сырья к переработке; водно-тепловой обработки (разваривания) зерна и картофеля; осахаривания разваренной массы, культивирования производственных дрожжей; сбраживания осахаренного сусла и выделения спирта из бражки и его очистки. 4.1. ПОДГОТОВКА КАРТОФЕЛЯ И ЗЕРНА К ПЕРЕРАБОТКЕ Подготовка картофеля и зерна к переработке состоит в достав- ке сырья на завод, отделении примесей, измельчении и приготов- лении замеса. Картофель с буртового поля подвозят автотранспортом к запас- ным закромам, откуда гидротранспортером подают в производ- ство. Легкие, грубые и тяжелые примеси картофеля отделяют в со- 104
камнеловушках. Для мойки и удаления оставшихся при- Л₽гр°й применяют картофелемойки. МЧ оно идушее на разваривание, очищают на воздушно-сито- „ыч и магнитных сепараторах^ БЬ При периодическом способе водно-тепловой обработки карто- ри зерно разваривают в целом виде, при непрерывных схемах ^оье предварительно измельчают. Степень дробления влияет на СЬ шературу и продолжительность разваривания. При измельче- т- картофеля на сите с диаметром отверстий 3 мм не должно б 1ть остатка, а при измельчении зерна остаток на этом сите не должен превышать 0,1—0,3 %. Проход помола через сито с отвер- стиями диаметром 1 мм должен составлять 60—90 %. Приготовление замеса заключается в смешивании измельчен- ного сырья с водой и подогреве его до определенной температуры. К измельченному зерну добавляют 280—300 % воды, к картофель- ной кашке — 15—20 % воды от массы сырья. Концентрация сухих веществ в сусле должна составлять 16—18 %. 4.2. ВОДНО-ТЕПЛОВАЯ ОБРАБОТКА ЗЕРНА И КАРТОФЕЛЯ Основная задача водно-тепловой обработки — подготовка сы- рья к осахариванию крахмала амилолитическими ферментами со- лода или ферментными препаратами микробного происхождения. Осахаривание наиболее полно и быстро происходит тогда, когда крахмал доступен для их действия (не защищен клеточными стен- ками), оклейстеризован и растворен, что можно достичь примене- нием тепловой обработки цельного сырья при повышенном дав- лении, или, как принято называть этот процесс в спиртовом про- изводстве, разваривания; сверхтонким механическим измельчени- ем сырья на специальных машинах; механическим измельчением сырья до определенных размеров частиц с последующим развари- ванием под давлением (комбинированный способ). Цельное крахмалсодержащее сырье в разварнике обрабатывают насыщенным водяным паром под избыточным давлением до 0,5 МПа (температура 158,1 °C). В этих условиях растворяется крахмал, размягчаются и частично растворяются клеточные стен- ки сырья, и при последующем выдувании сырья в паросепаратор (выдерживатель) происходит разрушение клеточной структуры вследствие перепада давления, измельчающего действия решетки в выдувной коробке разварника, а также других механических воз- действий на пути быстрого передвижения разваренной массы из одного аппарата в другой. В процессе разваривания одновременно происходит стерилизация сырья, что важно для процессов осаха- ривания и брожения. При измельчении сырья до размера частиц, меньшего, чем 105
крахмальные зерна, разрушаются клеточная структура сырья и сами крахмальные зерна, вследствие чего они растворяются в воде температурой 60—80 °C и осахариваются амилолитически- ми ферментами солода и культур микроорганизмов. Способ сверхтонкого измельчения пока не применяется из-за большого расхода электроэнергии и неизученное™ вопроса стерилизации сырья. Широкое распространение получил комбинированный способ согласно которому сырье сначала измельчают до частиц среднего размера (1 —1,5 мм), а затем разваривают. В этом случае темпера- тура и продолжительность разваривания меньше, чем при тепло- вой обработке цельного сырья. Выдувание разваренной массы из- мельченного сырья е перепадом давления способствует дальней- шему его диспергированию. Такой способ тепловой обработки в сочетании с непрерывностью процессов считается наиболее про- грессивным. При относительно небольших затратах электроэнер- гии на измельчение сырья, теплоты на разваривание и благодаря «мягкости» режима разваривания, обеспечивающего минималь- ные потери сбраживаемых веществ, способ позволяет хорошо под- готовить сырье к осахариванию. При разваривании картофеля и зерна происходят значительные структурно-механические изменения сырья и химические превра- щения веществ, входящих в его состав. 4.2.1. СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ СЫРЬЯ Клубни картофеля имеют крупные клетки, заполненные кле- точным соком и покрытые тонкой кожицей, поэтому целые клуб- ни быстро прогреваются и развариваются. При переработке высо- кокрахмалистых сортов и загнившего картофеля добавляют не- большое количество воды. Первую стадию тепловой обработки неизмельченного картофе- ля (подваривание) проводят при атмосферном давлении. Наивыс- шая температура подваривания не должна превышать 70 °C. При более высокой температуре часть клубней может разрушиться, вы- шедший из клеток клейстеризованный крахмал покроет слоем це- лые клубни, вследствие чего разваривание их будет продолжитель- ным и неполным. Температура 40—60 °C также нежелательна, так как она стиму- лирует действие амилолитических ферментов клубней и превра- щение крахмала в сахар. Подваривание здорового картофеля длит- ся около 30 мин, мороженого — 50 мин. По современным схемам непрерывного разваривания карто- фель перед тепловой обработкой измельчают в кашку на молотко- вых дробилках или картофелетерках. При этом большая часть кле- 106
вскрывается, вместе с клеточным соком освобождается около in'cg крахмала. В отличие от целых клубней картофельную кашку подваривают пьдо температуры 40 °C, так как из-за клейстеризаиии свобод- лИ крахмальных гранул вязкость настолько возрастает, что кашка ^пачивает текучесть. При температуре выше 50 °C вязкость резко овышается и достигает очень больших значений. При разжиже- п достаточным количеством бактериальной сс-амилазы вязкость картофельной кашки даже при нагревании до температуры 80 °C увеличивается ненамного выше вязкости, полученной при 40 °C. Следовательно, применяя а-амилазу на стадии подваривания, можно полностью использовать вторичный пар (экономия расхо- да теплоты) и лучше подготовить сырье к развариванию. Такой режим применяют при механико-ферментативном способе подго- товки сырья. Зерновое сырье готовят к развариванию иначе, чем картофель, так как его первоначальная влажность колеблется в пределах 12— 18% и прочность значительно выше, причем у отдельных слоев зерна она различна, что обусловлено неоднородностью его строе- ния. Наибольшей прочностью обладают оболочки зерна, наи- меньшей — эндосперм. При переработке зерна, как и картофеля, перед развариванием под давлением проводят подваривание, перед которым целое зер- но или крупку смешивают с водой в соотношении от 1:2,5 до 1: 3,5 с таким расчетом, чтобы после осахаривания концентрация сусла была 16—18 %. В процессе подваривания вторичным паром зерно набухает. При температуре до 55 °C крахмал набухает сла- бее, чем клейковина; при температуре выше 60 °C, наоборот, на- бухание крахмала резко возрастает, а клейковины уменьшается. При температуре около 90 °C оболочки зерна разрываются в от- дельных местах и крахмал частично клейстеризуется. Крупные зерна набухают медленнее мелких. Дефектное зерно набухает быстрее здорового. С повышением температуры на 10 °C (в интервале температур 70—90 °C) скорость набухания возрастает примерно в 2 раза. Целое зерно ржи (пшеницы, ячменя или овса) в периодически действующих предразварниках нагревают до 85—95 °C и выдержи- вают при этой температуре 60—75 мин. Полное набухание дости- гается в течение 2 ч. Подваренное целое зерно вместе с горячей водой поступает самотеком в варочный аппарат. Набухание значительно ускоряется при нарушении целости зерна. Чем мельче крупка, тем быстрее происходят набухание, К-чеистеризация крахмала и связанное с ней повышение вязкости амесов, что следует учитывать в производственных условиях при ыборе температуры подваривания. В зависимости от степени измельчения зерна, свойств и кон- нтрацци крахмала в замесе выбирают оптимальную продолжи- 107
тельность выдержки массы при максимальной температуре, опре- деляемой вязкостью подваренного замеса, т. е. возможностью его перекачивания. Установлено, что наиболее эффективно прово- дить разваривание сырья, в котором полностью прошли процес- сы набухания и клейстеризации. При этом снижаются темпера- тура и продолжительность разваривания, вследствие чего значи- тельно уменьшаются потери сбраживаемых веществ и сокраща- ется расход пара. Подваривание сырья до полного набухания и клейстеризации возможно только при одновременном разжижении замеса бакте- риальными сс-амилазами. Препараты бактериальных а-амилаз особенно термофильных культур Вас. subtilis или Вас. diactaticus' хорошо разжижая крахмал при температуре до 95 °C, гидролизуют его до высокомолекулярных декстринов Разжижение бактериаль- ными а-амилазами не приводит к значительному накоплению са- харов, следовательно, при разваривании можно не опасаться боль- ших потерь сбраживаемых веществ. После подваривания сырье поступает в разварники периоди- ческого или непрерывного действия, где его подвергают воздей- ствию более высоких температур — 140—170 °C при избыточном давлении 0,27—0,71 МПа. В современных технологических схемах, где подваривается из- мельченное сырье с разжижением а-амилазой достаточно продол- жительное время, необходимость в процессе разваривания при высокой температуре с повышенным давлением отпадает, так как все процессы клейстеризаци, набухания и растворения идут па- раллельно и заканчиваются при 85—95 °C. При варке под давлени- ем в первый период разваривания заканчиваются поглощение воды, набухание и клейстеризация. Одновременно растворяются крахмал, некоторая часть пентозанов, гексозанов, белков и других веществ сырья. По мере растворения отдельные клетки разрыва- ются и крахмал поступает в окружающую среду. При разварива- нии сырья клетки разрываются сначала в наружных слоях, внутри же клубня или зерна они остаются целыми. При непрерывном разваривании с предварительным измель- чением сырья крахмальные зерна становятся значительно более доступными для действия теплоты и влаги, поэтому все эти про- цессы протекают с большей скоростью и при более низкой тем- пературе. При нагревании измельченного крахмалистого сырья с одно- временной обработкой cc-амилазой при механико-ферментатив- ной обработке процесс еще больше ускоряется. Кроме того, па- раллельно идет интенсивный гидролиз крахмала до декстринов и сахаров, что способствует еще лучшей подготовке сырья к даль- нейшим осахариванию и сбраживанию. 108
4.2.2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ КРАХМАЛА, САХАРОВ, БЕЛКОВ И ДРУГИХ ВЕЩЕСТВ Превращения крахмала. Больше половины сухих веществ зерна картофеля составляет крахмал, из которого в процессе произ- 11 детва получают спирт, поэтому физико-химические превраше- Б°1Я крахмала представляют наибольший интерес. Крахмал в рас- тительных клетках находится в виде микроскопических гранул Многогранной или овальной формы. Размер крахмальных гранул колеблется в широких пределах — от 1 до 120 мкм. Самые крупные гранулы имеет картофельный крахмал, средний размер которых по наибольшей оси составляет 40—50 мкм. Гранулы крахмала зла- ков в среднем равны 10—15 мкм. По химическому составу гранулы крахмала неоднородны и состоят из двух полиоз — амилозы и амилопектина, распределенных равномерно. В производстве спирта из крахмалистого сырья такие свойства крахмала, как набухание, клейстеризация и растворение, имеют первостепенное значение, от них зависит атакуемость его амило- литическими ферментами. При нагревании в воде крахмал набухает и превращается в гель. При этом крахмальная гранула ведет себя как осмотическая ячейка, в которой роль полупроницаемой перегородки (мембра- ны) играет амилопектин. Осмотическое давление и связанная с ним степень набухания возрастают с повышением температуры. Крахмальная гранула поглощает воды в 25—30 раз больше своего объема. В определенном температурном интервале под действием ос- мотических сил крахмальные гранулы сильно увеличиваются в объеме, ослабляются и разрываются связи между отдельными структурными элементами, нарушается целость гранул. При этом резко возрастает вязкость раствора — происходит клейстеризация крахмала. Температура клейстеризации зависит в основном от природы крахмала, размера гранул, наличия в воде солей и от других фак- торов. Температура клейстеризации пшеничного крахмала 54— 62 °C, ржаного 50—55, ячменного 60—80, кукурузного 65—75, кар- тофельного 59—64 °C. Изменение вязкости крахмальных суспензий в воде определяет и изменение вязкости замесов из различного сырья, так как крах- мал наиболее сильно влияет на вязкость. При нагревании суспен- зии крахмала в воде при температуре 35—45 °C ее вязкость не- колько снижается вследствие уменьшения вязкости воды, при Дальнейшем повышении температуры очень медленно увеличива- Тся, при 75—85 °C резко возрастает, при 90 °C достигает макси- ального значения и при более высоких температурах резко сни- ется. Резкое повышение вязкости обусловлено интенсивным 109
набуханием и началом клейстеризации, главным образом круп- ных гранул крахмала. При 90 °C клейстеризапия практически за- канчивается, вязкость больше не увеличивается. Последующее снижение ее связано с деструкцией трехмерной сетки клейстера в результате повышения температуры и механического переме- шивания. При температуре 120—130 °C клейстер становится легкопод- вижным. Наиболее полное растворение амилопектина происходит у пшеничного крахмала при температуре 136—141 °C, ржаного при 121 — 127, кукурузного при 146—151, картофельного при 132 °C Наряду с физико-химическими происходят и химические из- менения крахмала, в основном гидролитические. Ферментативно- му гидролизу крахмал подвергается при подваривании сырья бла- годаря содержащимся в нем амилазам («самоосахаривание»), кис- лотному гидролизу — при разваривании в слабокислой среде. При температуре до 70 °C среди продуктов гидролиза преобладают са- хара, так как при последующем разваривании под давлением они теряются (разлагаются). Декстрины же более устойчивы, и накоп- ление их в сырье не приводит к заметному увеличению потерь сбраживаемых веществ. В. А. Смирнов и В. П. Сотская показали, что основной реакци- ей распада гексоз (фруктозы, глюкозы) в процессе разваривания является оксиметилфурфурольное разложение. Механизм этой ре- акции окончательно не выяснен, но известно, что оксиметилфур- фурол образуется из гексоз в кислой среде в результате дегидрата- ции. Оксиметилфурфурол — нестойкое соединение, в свою оче- редь распадающееся до левулиновой и муравьиной кислот. В ана- логичных условиях из пентоз образуется фурфурол — более стойкое соединение, чем оксиметилфурфурол. Устойчивость от- дельных моносахаридов зависит от pH среды и режима разварива- ния. Для сохранения моносахаридов в процессе разваривания наиболее благоприятна слабокислая реакция среды с pH 3,4—3,6. При таком pH разлагается от 5 % (глюкозы) до 26 % (фруктозы) от первоначального количества сахара. При значении pH сырья око- ло 6,5 распадается до 80 % глюкозы и 90 % фруктозы. В условиях мягкого режима разваривания (по непрерывным способам) теря- ется 3 и 11 % глюкозы и 9—36 % фруктозы. Вторая по интенсивности реакция разложения сахаров в про- цессе разваривания — реакция меланоидинообразования. Среди продуктов меланоидиновой реакции найдены алифатические аль- дегиды, фурфурол и его производные, формальдегид, диацетил, метилглиоксаль, ацетоин и др. Значение этой реакции в образова- нии потерь сбраживаемых веществ при разваривании невелико по сравнению с оксиметилфурфурольным разложением сахаров. Скорость меланоидиновой реакции можно снизить тем же пу- тем, что и скорость окси метил фурфурольного разложения саха- ров, — смягчением режима разваривания и подкислением среды ПО
L ~ 3,5, так как при таком значении pH скорость этой реак- Д° рв з-_5 раз меньше, чем при pH ~ 6,5. Основной путь снижения U1 терь сахара — смягчение режима разваривания в результате тон- ^го измельчения сырья, а также обработка сырья а-амилазой на стадии подваривания. Превращения целлюлозы, гемицеллюлоз, пектиновых и белковых „ществ. Стенки клеток и межклеточные вещества растительного Выпья состоят из целлюлозы (клетчатки), гемицеллюлоз, пектино- с р и белковых веществ. Целлюлоза при разваривании под давле- нием 0,4—0,5 МПа практически не изменяется. Гемицеллюлозы картофеля и зерна, состоящие преимущественно из пентозанов, частично растворяются, а частично гидролизуются до декстринов и менее высокомолекулярных соединений, вплоть до пентоз (ара- бинозы, ксилозы). Пектиновые вещества при разваривании гидролизуются с обра- зованием метанола. Чем жестче режим, тем больше образуется ме- танола, который при ректификации этанола трудно отделить, так как температура его кипения близка температуре кипения этано- ла Поэтому применение современных мягких режимов способ- ствует улучшению качества спирта. При температуре до 100 °C белки картофеля и зерновых зла- ков коагулируются и частично денатурируются, вследствие чего сначала наблюдается некоторое уменьшение количества раство- римого азота. При температуре 140—158 °C оно увеличивается, что объясняется пептизацией белков. Поданным Д. Н. Климовс- кого и С. А. Коновалова, при разваривании целого зерна в раствор переходит от 20 до 50 % азота, содержащегося в зерне. 4.2.3. СПОСОБЫ РАЗВАРИВАНИЯ ЗЕРНА И КАРТОФЕЛЯ Крахмалсодержашее сырье разваривают непрерывным и пери- одическим способами. Наиболее распространены непрерывные способы. Установки непрерывного разваривания можно разделить на три группы: установки, работающие на паре с давлением до 0,5 МПа (установка ВНИИПрБ); установки, использующие пар высокого давления (установка УкрНИИСП); установки, произво- дящие водно-тепловую обработку при температуре не выше 100 °C (установка механико-ферментативной обработки). Необходимая подготовка крахмалсодержащего сырья к осаха- риванию при минимальных потерях нерастворенного крахмала и раживаемых углеводов достигается правильно выбранным соот- ошением температуры и продолжительности разваривания и Р ВДомерностью обработки массы. Если выразить зависимость лог У ТемпеРатУР°й и продолжительностью разваривания в полу- арифмической системе координат, то она выглядит в виде пря- 111
мой, для которой справедливо уравнение t = а/тс, где г—температура разваривания. “С; а и с —коэффициенты, зависящие от со стояния, вида и степени измельчения сырья; t — продолжительность разваривя ния, мин. В уравнении зависимости продолжительности разваривания от температуры следует учитывать также конструктивные особеннос- ти аппарата, влияющие на организацию проведения процесса и степень смягчения режима разваривания. Это влияние отражается с помощью коэффициента К, названного коэффициентом смягче- ния режима. t — а/(Кхс). Чем сильнее диспергируется и равномернее проходит через аппарат масса, тем больше коэффициент К, мягче режим (ниже температура или меньше продолжительность разваривания). Для установки конструкции УкрНИИСП К= 1,088; конструкции ВНИИПрБ 1,072. В отечественной промышленности наиболее распространенной является установка ВНИИПрБ. Способ непрерывного разваривания зерна и картофеля на установ- ке ВНИИПрБ (рис. 4.1). Зерно, очищенное на сепараторах, элева- тором подается в приемный бункер 1, а затем поступает в молот- ковые дробилки 14. Продукт дробления должен иметь такие размеры, чтобы 50- Рис. 4.1. Аппаратурно-технологическая схема непрерывного разваривания зерна и картофеля на установке ВНИИПрБ 112
ot ero проходило через сито с отверстиями диаметром I мм. Пстаток на сите с отверстиями диаметром 3 мм не должен превы- ать О I % Дробленое зерно направляется в смеситель 13, пред- ъявляющий собой цилиндрический сосуд с эллиптическим дни- с м и плоской крышкой, имеющий вертикальную рамную ме- палку Измельченное в молотковых дробилках зерно через пат- v6ok поступает в приемник, который выполнен в виде перфорированной камеры. Через отверстия внутренней трубы этой камеры тонкими струями подается вода. Измельченная зер- новая крупка активно смешивается с водой уже в приемнике продукта. Замес выходит через переливную коробку, состоящую из двух камер, разделенных перегородкой, обеспечивающей оп- ределенный уровень в смесителе. Переливная коробка также снабжена смотровым патрубком, через который можно отбирать пробы. с Дробленое зерно смешивается с водой температурой 40—50 С в заданном соотношении от 1 : 2,5 до 1 : 3,5 в зависимости от его крахмалистости. Количество поступающего дробленого зерна и воды регулируется дозаторами, работающими синхронно Приго- товленный замес с помощью насоса 12 перекачивается в контакт- ную головку 4 вторичного пара, который подводится через патру- бок в центре головки и движется из нижней ее части вверх. Встречное движение теплоносителя и замеса также способствует ускорению его нагрева. Замес нагревается вторичным паром, выделившимся из паросе- паратора 9, до 85—95 °C в зависимости от температуры в смесителе и количества этого пара, которое определяется, в свою очередь, принятым режимом разваривания. Нагретый замес поступает в буферную емкость 3, откуда плун- жерным насосом 11 перекачивается в контактную головку 6остро- го пара, где нагревается до 138—149 °C, и подается в трубчатый разварник 10. В случае разваривания кукурузы замес нагревают до При переработке картофеля клубни после мойки ковшовым элеватором поднимаются на весы, затем подаются в промежуточ- ный бункер и оттуда дозатором на молотковые дробилки 2. Карто- фельная кашка через промежуточный сборник поступает в плун- жерный насос 5 и оттуда в греющую контактную головку 6 острого пара. В ней кашка нагревается до 138—140 °C и направляется в ва- рочный аппарат, который состоит из трубчатого разварника 10, выдерживателей первой 7и второй 8ступени. Выдерживатель 7 первой ступени предназначен для доварива- ния сырья, нагретого до температуры разваривания в контактной головке острого пара и в трубчатом аппарате. Масса из выдерживателя 7 первой ступени перемещается по переточным трубам за счет разницы уровней в колоннах при оди- ковом давлении в паровых пространствах колонн, что достига- 113
ется установкой уравнительной линии. Из выдерживателя 8 вто- рой ступени масса выдувается в паросепаратор. Продолжитель- ность пребывания массы зерна в варочных колоннах обоих выдер- живателей 45—55 мин (кукурузы 60 мин). Пар из сепаратора ис- пользуется на подваривание замеса в контактной головке вторич- ного пара. В паросепараторе поддерживается постоянное избыточное давление около 0,05 МПа, что соответствует темпера- туре 105 °C. Разваренная масса находится в нем 15—20 мин. Качество разваривания сырья на установке конструкции ВНИИПрБ, так же как и на любой другой установке, определяют по цвету сваренной массы, отобранной из пробников, установлен- ных на выдувной трубе варочного аппарата и трубе паросепарато- ра. Цвет массы из зерна должен быть темно-желтым со светло-ко- ричневым оттенком, из картофеля — светло-коричневым с зеле- новатым оттенком. Механико-ферментативный способ обработки сырья. По ре- зультатам проведенных исследований сотрудниками ВНИИПрБ (Б. А. Устинниковым и др.) разработаны технологический режим и схема механико-ферментативной подготовки крахмалистого сы- рья к осахариванию (рис 4.2). По этой схеме все поступающее в переработку зерновое сырье обязательно очищается от металлопримесей на магнитном сепа- раторе, а от сорных — на зерновом сепараторе. Остаточное со- держание примесей не должно превышать 1 %. Основные требо- вания к измельчаемому зерну: проход через сито с диаметром от- верстий 1 мм должен быть не мене? 75—80 %, к зерну кукурузы — не менее 85—90%, остаток на сите с ячейками Змм должен отсутствовать. Измельченное зерно или картофель поступают в смеситель 1, Рис. 4.2. Аппаратурно-технологическая схема механико-ферментативной подготовки крахмалистого сырья 114
смешивается теплой водой температурой 60—65 °C и бактери- где с ферментным препаратом — источником а-амилазы (ами- ^^бтилин ГХ и ГЗХ и др.) Амилосубтилин дозируется из расче- Л°1 5—2 0 ед. АС/г условного крахмала и поступает в смеситель из Исходного сборника а-амилазы 2. Р Соотношение зерна и воды, поступающих в смеситель, состав- т 1 • (3 0—3,2) и устанавливается в зависимости от крахмалис- тости зерна с учетом того, что концентрация сусла в осахаривателе олжна быть 16—18 %. Температура замеса в смесителе поддержи- Дается на уровне 50—55 °C. При необходимости подогрева замеса используют вторичный пар, который поступает из паросепаратора 9 Продолжительность пребывания замеса в смесителе 10—12 мин. В смесителе должно обеспечиваться равномерное перемешивание измельченного сырья, воды и раствора а-амилазы, а также подо- грев массы до 55 °C. При переработке картофеля клубни тщательно моют и измель- чают. Амилосубтилин вводят из расчета 2,0—2,5 ед. АС/г условно- го крахмала картофеля. В смесителе происходит начальная стадия разжижения крах- мала и растворения сухих веществ за счет действия бактериаль- ной а-амилазы, обеспечивается нормальная текучесть массы. Затем замес насосом 3 подается в контактную головку 4, где подогревается паром до температуры 70—72 °C (температура выше 75 °C недопустима из-за возможной инактивации а-амилазы) и направляется в аппарат 5 гидродинамической и ферментативной обработки первой ступени ГДФО-1, где выдерживается не менее 2—2,5 ч. После заполнения аппарата примерно на 1/3 включается цир- куляционный контур с центробежным насосом 6 иля перемешива- ния массы в аппарате. Коэффициент заполнения аппарата состав- ляет 0,75—0,80. Температура массы при обработке зернового заме- са должна поддерживаться в пределах 65—70 °C. На этой стадии ферментативной обработки происходят клейстеризация крахмала, разжижение замеса, декстринизация и частичный гидролиз угле- водов под действием введенной а-амилазы, а также собственных ферментов зерна, если они находятся в активном состоянии. Эти процессы сопровождаются интенсивным растворением сухих ве- ществ зерна. При переработке кукурузы массу нагревают до 80—85 °C и вы- держивают в течение 4,5—5,0 ч, для чего подключают второй ап- парат ГДФО-1. к ^Ри переработке картофеля температуру гидродинамической ооработки увеличивают до 70—75 °C пн? Я лучшего сохранения активности а-амилазы ее вводят в ГДф™ч-: 1~1’5ед. АС/г в смеситель и 0,5 ед. АС/г в аппарат Далее зерновой замес или картофельная кашка из аппарата 115
ГДФО-1 самотеком или с помощью дозаторов отводятся в аппарат 7 гидродинамической и ферментативной обработки второй ступе- ни ГДФО-2. Этот аппарат, разделенный на три секции, может быть горизонтальной или вертикальной конструкции. В первой секции аппарата ГДФО-2 крахмалистая масса выдерживается при перемешивании в течение 15—16 мин при температуре 65—72 °C, после чего перетекает во вторую секцию, где нагревается острым паром до 72—75 °C и выдерживается также 15—16 мин. В зоне этих температур происходит более интенсивная клейстеризация крах- мала сырья с одновременным разжижающим действием на крах- мал бактериальной а-амилазы. В третьей секции температура мас- сы путем подачи острого пара поднимается до 85—95 °C. В этих условиях в течение 15—16 мин клейстеризуются наиболее трудно- доступные для воздействия воды и тепла крахмальные гранулы, причем разжижающее действие термофильной а-амилазы на крахмал хотя и ослабевает вследствие инактивации фермента, но еще продолжается. При переработке кукурузы температура в ГДФО-2 поддержива- ется во всех секциях на уровне 90—95 °C. Таким образом, в аппарате второй ступени осуществляются как дополнительный ферментативный гидролиз под действием сохра- нившейся а-амилазы, так и термообработка массы, т. е. стерили- зация ее паром под атмосферным давлением. При перемешивании происходит диспергирование сырья, сопровождающееся увеличе- нием содержания растворимых веществ до 90—95 % и более по от- ношению к концентрации сухих веществ в сусле. Такая масса дос- таточно подготовлена к осахариванию и с помощью насоса 8 пере- качивается в паросепаратор 9, выполняющий роль накопителя. Затем масса идет на осахаривание. При переработке недоброкачественного дефектного сырья не- обходима более жесткая тепловая обработка массы для ее стерили- зации перед приготовлением сусла. Для этого масса насосом 8 по- дается в контактную головку 10, где подогревается паром до тем- пературы НО—115 °C, а для кукурузы до 125—130 °C. Далее масса проходит через трубчатый стерилизатор 11 в течение 5—6 мин. Вводимый пар должен полностью конденсироваться. Этот эф- фект достигается установкой на выходе из трубчатого стерилиза- тора редуцирующего клапана, отрегулированного на давление 0,06—0,10 МПа. Это позволяет довести коэффициент заполне- ния трубчатого стерилизатора массой до 100 % Затем масса отво- дится в паросепаратор 9. Качество ферментативно-тепловой об- работки определяют по пробе, отбираемой после паросепарато- ра. Обработанная масса должна быть от светло-коричневого до коричневого цвета с белесым оттенком и иметь запах неперева- ренной массы. Для осахаривания стерилизованную массу смешивают с необ- ходимой дозой глюкаваморина ГХ или другим препаратом. 116
ак предварительный гидролиз и растворение массы с по- 1 бактериальной а-амилазы практически на 90— 100 % за- М°и1Ьаются до сталии осахаривания, то а-амилазу в дальнейшем верша ВВодить в осахариватель. Однако для успешной пере- можно ектного и трудносбраживаемого сырья в осахарива- рабОТРпедует ввести до 30 % от общего расхода бактериальной тель следуй' *- п-амилазы. Техноэкономическии эффект при переходе на работу по схеме ханико-ферментативной обработки сырья по сравнению со схе- ой разваривания и осахаривания с применением ферментных препаратов состоит в следующем: расход пара снижается не менее чем на 40 %; расход электроэнергии на 1 т сырья увеличивается на 3,1 кВт • ч; выход спирта из 1 т условного крахмала увеличивается не ме- нее чем на 0,4 дал за счет снижения потерь сбраживаемых ве- ществ при разваривании, которые составляют 3—4 % от введен- ного крахмала. Кроме того, из схемы исключаются варочные колонны, работа- ющие под давлением, обеспечиваются безопасные условия труда. 4.3. ОСАХАРИВАНИЕ РАЗВАРЕННОЙ МАССЫ Осахаривание заключается в обработке охлажденной разварен- ной массы солодовым молоком или ферментными препаратами для гидролиза полисахаридов, белков и других сложных веществ. Основным и наиболее важным процессом при этом является фер- ментативный гидролиз крахмала до сбраживаемых сахаров, поэто- му процесс и называют осахариванием. В результате осахаривания разваренной массы получают полупродукт — сусло спиртового производства. В производстве спирта воздействие ферментов на составные вещества сырья осуществляется на нескольких технологических стадиях: стадии подваривания сырья; специальной стадии осаха- ривания крахмала, которая проводится при оптимальной темпера- туре для действия амилолитических сахарогенных ферментов; ста- дии брожения, где создаются условия, оптимальные для жизнеде- ятельности дрожжей, но которые не вполне благоприятны для действия амилолитических ферментов (более низкие температура и pH среды). 76 $^СЛ°’ полУченное при осахаривании солодом, содержит 71 — о /о мальтозы и 24—29 % глюкозы от суммы сбраживаемых саха- 1 лВ’Л осахаренное ферментными препаратами — соответственно 14-21 и 79-86 %. пеРиод осахаривания разваренной массы под действием про- пе ли™ческих ферментов происходит накопление аминокислот, тонов и полипептидов. Содержание растворимого азота в раз- 117
варенной массе увеличивается в несколько раз. Наибольшее коли- чество растворимого азота (до 75 % от общего азота сырья) образу- ется при осахаривании массы, разваренной при температуре 150 °C, а наименьшее (до 33 %) — при температуре 100 °C. Целлюлоза, гемицеллюлоза и другие некрахмалистые полиса- хариды почти не гидролизуются ферментами солода и в большей степени, хотя и незначительно, гидролизуются ферментами мик- робного происхождения. Процесс осахаривания осуществляется при 57—58 °C — опти- мальной температуре действия амилолитических ферментов. Раз- варенную массу охлаждают в осахаривателе со змеевым теплооб- менником или под вакуумом. Осахаривание разваренной массы, как правило, осуществляют непрерывным способом и лишь на заводах малой мощности — пе- риодическим. Независимо от способа процесс осахаривания состоит из следу- ющих операций: охлаждения разваренной массы до определенной температуры, которую после смешивания массы с солодовым молоком (микроб- ной культурой) понижают до заданной для осахаривания: смешивания разваренной массы с солодовым молоком (мик- робной культурой); осахаривания крахмала; охлаждения сусла до начальной температуры брожения сусла; перекачивания сусла в бродильное и дрожжевое отделения за- Рис. 4.3. Схема непрерывного осахаривания с одноступенчатым вакуум-охлаждением разва- ренной массы вода. Один из распростра- ненных способов осахари- вания — непрерывное оса- харивание с одноступенча- тым вакуум-охлаждением разваренной массы, пред- ставленной на рис. 4.3. Из паросепаратора 7 разваренная масса по тру- бе 2 поступает в испари- тельную камеру 3, в кото- рой поддерживается раз- режение 0,08 МПа. В ре- зультате самоиспарения температура воды почти мгновенно понижается до 62 °C. Вакуум в камере со- здается в результате кон- денсации выделяющегося пара водой в конденсаторе 4. Смесь воды, конденсата 118
и неконденсирующихся газов откачивается мокровоздушным на- сосом 5 типа РМК. Охлажденная масса по барометрической трубке 11 стекает в осахариватель 8. Одновременно по трубе 7 в трубу 2 из осахарива- теля засасывается 10—15 % сусла, вследствие чего снижается вяз- кость массы, облегчается отделение пара и уменьшается унос с ним крахмала. После добавления к разжиженной массе солодово- го молока из расходных бачков 9с помощью дозатора /Отемпера- тура ее снижается до 57—58 °C и сохраняется на этом уровне все время. Продолжительность осахаривания не менее 10 мин. Уровень массы в осахаривателе поддерживается автоматически посредством поплавкового регулятора, связанного рычагом с зас- лонкой на продуктовой трубе. Солодовое молоко дозируется в за- висимости от скорости откачивания сусла насосом 12 в теплооб- менник 13 Для задержания песка перед насосом установлена ло- вушка 6. Охлаждение разваренной массы под вакуумом предотвращает тепловую инактивацию ферментов осахаривающих средств при поступлении разваренной массы в осахариватель и обеспечивает более полное осахаривание крахмала, что позволяет увеличить вы- ход спирта. При этом способе охлаждения из сусла вместе с не- конденсирующимися газами удаляются такие летучие примеси, как метанол, фурфурол, летучие кислоты, что облегчает ректифи- кацию спирта. Полноту осахаривания проверяют по йодной пробе. Если ок- раска сусла с йодом не изменяется, осахаривание прошло нор- мально; красная окраска свидетельствует об избытке декстринов, сине-фиолетовая — о присутствии неосахаренного крахмала. Та- кое изменение окраски с йодом характерно только при получении сусла осахариванием разваренной массы солодом; при осахарива- нии ферментными препаратами микроскопических грибов окрас- ка может оставаться сине-фиолетовой и исчезает при брожении. Расход солода на осахаривание определяется с учетом его оса- харивающей способности (ОСп). На 1 г крахмала сырья, посту- пившего на разваривание и содержащегося в зерне, идущего на приготовление солода, требуется 0,6—0,7 ед. ОСп. Необходимое количество ОСп обеспечивается двумя или тремя солодами. При- чем доля просяного или овсяного солодов составляет 25—30 % от общего расхода. Средний расход зерна, идущего на приготовление солода, не должен превышать при переработке зерна 14,9%, картофеля 13,0 %, овса, сорго и риса 18,5 % массы сырья. В настоящее время на спиртовых заводах применяют отече- ственные жидкие и сухие ферментные препараты — амилосубти- лин ГХ, ГЗХ, глюкаваморин ГХ, ГЗХ, глюкобататин ГХ, ГЗХ, глю- кэндомикопсин ГХ, амилоризин ПХ, глюкаваморин ПХ. Расход поверхностной культуры составляет 5 % от массы пере- 119
рабатываемого крахмала, в том числе глюкаваморина ПХ — 4% (как источника глюкоамилазы) и амилоризина ПХ — 1 % (как ис- точника а-амилазы и протеолитических ферментов). Расход глу- бинной культуры микроорганизмов и концентрированных препа- ратов на осахаривание рассчитывают по их активности в зависи- мости от принятой продолжительности брожения. Так, при 72-ча- совом брожении расход а-амилазы должен составлять 1,5—2,0 ед. АС, глюкоамилазы — 6,0—6,2 ед. ГлА на 1 г перерабатываемого крахмала сырья. При 48-часовом брожении расход а-амилазы ос- тается неизменным, а глюкоамилазы — увеличивается до 15 ед. ГлА на 1 г крахмала. При этом достигаются равные показатели сбраживания. Препарат а-амилазы рекомендуется подавать в две точки технологической схемы: 0,5 ед. АС на разжижение подвари- ваемой массы и 1 ед. АС на 1 г крахмала при осахаривании вместе с глюкозой. Кроме отечественных препаратов на спиртовых заводах широ- ко применяются зарубежные концентрированные ферментные препараты. Например, датская фирма «Ново Нордиск» поставляет препараты в сиропообразном виде плотностью 1,20—1,25 г/см3. Препараты термамил 120 Л и БАН 240 Л являются источниками термостойкой а-амилазы, действующей при температуре 85—95 °C и разжижающей крахмал. Препараты АМГ 300 Л и Сан супер 240 Л содержат глюкамилазу и протеазу. Оптимальные условия их действия 55—60 °C. Содержание растворимых веществ в осахаренном сусле должно находиться в пределах 16—18 %, в том числе 13—15 % сбраживае- мых углеводов. Кислотность сусла 0,2—0,3°. Один градус кислот- ности соответствует 1 см3 1 М раствора NaOH, израсходованного на титрование 20 см3 сусла. При кислотности ниже 0,2° интенсив- но развиваются инфицирующие микроорганизмы, а при кислот- ности выше 0,4° инактивируются амилолитические ферменты, что увеличивает количество неосахаренных декстринов в бражке. 4.4. КУЛЬТИВИРОВАНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ДРОЖЖЕЙ Сахар, содержащийся в осахаренном сусле, сбраживают в спирт дрожжами Saccharomyces cerevisiae расами XII, К-81 и др. Они хо- рошо сбраживают мальтозу, сахарозу и фруктозу, но не сбражива- ют конечные декстрины. Способами генетической инженерии по- лучена высокоактивная раса У 408, обладающая амилолитической активностью, что позволяет уменьшить расход осахаривающих средств на 10—15% и снизить продолжительность брожения на Основными факторами, влияющими на жизнедеятельность дрожжей, являются температура, pH и состав питательной среды. 120
Оптимальная скорость размножения сахаромицетов наблюдается при 30—32 °C, но дрожжи, выращенные при температуре ниже оп- тимальной, имеют высокую бродильную активность Поэтому на- чальная температура брожения сусла из крахмалсодержащего сы- рья, когда происходит размножение дрожжей, поддерживается на уровне 18—22 °C, а при энергичном брожении — на уровне 29— 30 °C. Более высокая температура способствует развитию молоч- нокислых бактерий. От величины pH зависят скорость поступления веществ в клет- kv, активность ферментов и характер брожения. Оптимум pH сре- ды для выращивания дрожжей 4,8—5,0. При pH ниже 4,2 дрожжи продолжают развиваться, а молочнокислые бактерии почти не развиваются. Чистые условия для выращивания засевных и произ- водственных дрожжей, при которых посторонние микроорганиз- мы почти не развиваются, создают, изменяя кислотность в преде- лах pH 3,8—4,0. Для этого используют серную, соляную или мо- лочную кислоту. Производственными или зрелыми дрожжами в спиртовом про- изводстве называют готовую культуру дрожжей, которую получа- ют в результате сбраживания 1/3 питательного сусла от первона- чального содержания сухих веществ. Существуют периодический, полунепрерывный и непрерывный способы культивирования дрожжей. При периодическом способе культивирования дрожжей ис- пользуют дрожжанки емкостью 8 % от объема бродильного аппа- рата. Сусло отбирается из осахаривателя, дополнительно осахари- вается для обогащения азотным питанием, пастеризуется, охлаж- дается до 30 °C и подкисляется серной кислотой до pH 3,8—4,0. Титруемая кислотность зернового сусла достигает 0,7—0,9°, карто- фельного — 0,9—1,2° (из-за повышенной буферности). В случае подкисления дрожжевого сусла молочной кислотой после пастеризации (75 °C) его охлаждают до 54 °C и вносят подго- товленную культуру молочнокислых бактерий (штамм 52 или сме- шанную культуру 70) в количестве 2—5 % от объема сусла в дрож- жевом аппарате, перемешивают (при 52 °C). В течение 8—10 ч происходит молочнокислое брожение до нарастания общей кис- лотности до 1,7—1,9° в зерновом сусле и 2,0—2,4° в зернокарто- фельном. Затем в сборник отбирают маточную культуру молочно- кислых бактерий, а остаток сусла пастеризуют при 76—78 °C в те- чение 25—30 мин. Приготовленное сернокислое или молочнокислое дрожжевое сусло охлаждают до 30 °C и вносят засевные дрожжи до 8 % от объема дрожжевого аппарата, содержимое перемешивают и ох- лаждают до 22—23 °C. Размножение дрожжей длится 18—20 ч при 27—30 °C. Концентрация сусла при культивировании снижается от 17—18 до 5—6 %, а концентрация спирта возрастает до 4,5—5 %. Кислотность зрелых дрожжей не должна превышать начальную. 121
При малейшем повышении кислотности дрожжи бракуют Клетки готовой культуры дрожжей должны быть упитанными, а купьтура содержать до 5 % почкующихся и не более 1 % мертвых при пол- ном отсутствии живых посторонних микроорганизмов. При обнаружении 1—2 палочек посторонней микрофлоры го- товую культуру обрабатывают в сборнике раствором серной кис- лоты при указанной кислотности (pH 2,5—3,0), убивают до 50 % клеток дрожжей и соответственно увеличивают объем засевных дрожжей, повышают начальную температуру брожения на 3—4 °C При нормальной работе завода чистую культуру дрожжей вы- водят примерно 1 раз в год обычно одновременно с пуском завода после ремонта, а иногда и реже. Непрерывное культивирование осуществляется в системе дрожжегенераторов. Осахаренное сусло и маточные дрожжи по- ступают в первый аппарат, последовательно проходят дрожжеге- нераторы и из последнего в виде готовой культуры дрожжей по- ступает в головной танк бродильной батареи. 4.5. СБРАЖИВАНИЕ ОСАХАРЕННОГО СУСЛА С момента введения производственных дрожжей в охлажден- ное сусло начинается брожение. При сбраживании зернокарто- фельного сусла одновременно происходит доосахаривание декст- ринов. Бродящее сусло называют бражкой. На отечественных заводах применяют в основном непрерывно- проточный, проточно-рециркуляционный и циклический спосо- бы брожения. Периодическое сбраживание проводят только на малых заводах. Продолжительность брожения, v Рис. 4.4. Интенсивность сбражи- вания сахаров при непрерывном (7) и периодическом (2) процессах брожения (интенсивность броже- ния определяли по среднечасовому содержанию СВ) При непрерывном спиртовом брожении сусла в начальный пери- од сбраживается основное количе- ство сахаров, в то время как при периодическом количество сбро- женного сахара постепенно увели- чивается, а затем уменьшается (рис. 4.4). Процесс брожения сусла можно разделить на три периода взбражи- вание, характеризующееся продол- жением размножения дрожжей; главное брожение, при котором происходит сбраживание основного количества сахара; дображивание, связанное с доосахариванием декст- ринов и крахмала амилолитически- ми ферментами с последующим их дображиванием дрожжами. 122
При периодическом брожении все стадии брожения протекают в одном аппарате. Продолжительность брожения 72 ч. Для непрерывно-проточного, проточно-рециркуляционного и циклического способов брожения требуются дрожжанки, дрожже- генераторы и батарея бродильных аппаратов, соединенных между собой переточными трубами. Для данных способов брожения не- обходимо периодически освобождать оборудование от бражки и проводить профилактическую стерилизацию аппаратов и комму- никаций всей системы. Продолжительность брожения сусла по этим методам 60—62 ч. На рис. 4.5 приведена схема непрерывно-проточного сбражива- ния зернокартофельного сусла, которая предусматривает установку следующего оборудования: двух дрожжанок 1, дрожжегенератора 2, Двух головных бродильных аппаратов 3, 8—10 бродильных аппара- тов для дображивания 4, спиртоловушки 7и двух насосов 5 и 6. Технологические показатели зрелой бражки: содержание спир- Iя 8—9,5 %, сбраживаемых углеводов 0,25—0,45, крахмала 0,003— 0,2 %. Нарастание кислотности в процессе брожения не должно превышать 0,2°. Увеличение кислотности на 0,Г сверх допустимой величины снижает выход спирта на 0,2 дал на 1 т крахмала. 4.6. ВЫДЕЛЕНИЕ СПИРТА ИЗ БРАЖКИ И ЕГО ОЧИСТКА Бражка — сложная многокомпонентная система, состоящая из ли (82—90 мае. %), сухих веществ (4—10 мае. %) и этанола с со- Утствующими летучими примесями (7—9 мае. %, или 8— 123
11 об. %). В бражке всегда присутствует некоторое количество ди- оксида углерода: в 1 дм3, взятом непосредственно из бродильного аппарата, содержится 1 —1,5 г. При перекачке бражки в ректифи- кационное отделение теряется 35—45 % диоксида углерода Кис- лотность бражки 0,5°, pH 4,9—5,2. Состав бражки в значительной мере изменяется в зависимости от вида исходного сырья и приня- тых технологических режимов ее приготовления. Летучие примеси, сопутствующие спирту, характеризуются большим разнообразием, в настоящее время их идентифицирова- но более 70, но общее содержание невелико — обычно не превы- шает 0,5 % от количества этанола. Все летучие примеси можно в основном разделить на четыре группы: спирты, альдегиды, кислоты и эфиры. Кроме того, выде- ляют группу азотистых (аммиак, амины, аминокислоты), серосо- держащих (сероводород, сернистый ангидрид, сульфокислоты, меркаптаны) и других веществ. Больше всего примесей (0,35—0,45 % от количества этанола) приходится на долю спиртов — метилового, пропилового, изобу- тилового, изоамилового. Последние три спирта составляют основу сивушного масла (обычно 0,3—0,35 % от количества этанола в бражке). Метанол (метиловый спирт) содержится в зернокарто- фельной и свекловичной бражке — не более 0,2 % от количества этанола. Из альдегидов в спирте больше всего уксусного. Летучих кислот (уксусной, масляной, пропионовой, валериано- вой и др.) немного — около 0,005—0,1 % от количества этанола. В бражке содержится около 0,05 % эфиров от количества эта- нола. Группа эфиров в основном представлена уксусно-этило- вым, муравьино-этиловым, уксусно-метиловым, изомасляно- этиловым. Спирт из бражки выделяют с помощью ректификации на сыр- цовых ректификационных установках. При этом вместе с ним от- гоняется и значительная часть сопутствующих летучих примесей. Получаемый при этом продукт называется спиртом-сырцом (ГОСТ 131-85). Ректификованный спирт получают путем очистки спирта-сыр- ца от примесей ректификацией. Различают четыре вида ректифи- кованного спирта (ГОСТ Р 51652): «Люкс», «Экстра», «Базис», «Альфа», высшей очистки и I сорта. Кроме спирта-сырца и ректификованного спирта спиртовая промышленность вырабатывает небольшое количество абсолют- ного спирта. Не следует смешивать понятия безводный (100%-й) и абсолютный спирт, в котором допускается содержание воды до 0,2 об. %. Безводный спирт промышленностью не вырабаты- вается. 124
4 6.1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ Ректификация — процесс разделения жидких летучих смесей на поненты или группы компонентов (фракции) путем много- детного двустороннего массо- и теплообмена между противоточ- кРалвижушимися паровым и жидкостным потоками. Необходимое условие процесса ректификации— различная летучесть (упру- гость пара) отдельных компонентов. При взаимодействии противоточно движущихся потоков в процессе ректификации происходит диффузия легколетучего ком- понента (ЛЛК) из жидкости в пар и труднолетучего компонента (ТЛК) из пара в жидкость. Способ контактирования потоков мо- жет быть ступенчатым (в тарельчатых колоннах) или непрерыв- ным (в насадочных колоннах) В результате многократно повторяющегося на последователь- ных тарелках (ступенях) контактирования движущихся в противо- токе по высоте колонны жидкости и пара составы взаимодейству- ющих фаз существенно изменяются: паровой поток при движении вверх обогащается ЛЛК, а жидкостный, стекая вниз, обедняется им, т. е. обогащается ТЛК. При достаточно большом пути контак- та противоположно движущихся потоков по колонне в итоге мож- но получить пар, выходящий из верхней части колонны, представ- ляющий собой более или менее чистый ЛЛК, конденсация кото- рого дает дистиллят, а из нижней части колонны — сравнительно чистый ТЛК, так называемый кубовый остаток. Жидкостный поток в колонне (флегма) образуется в результате частичной конденсации пара, выходящего из верхней части ко- лонны, в специальных теплообменных аппаратах—дефлегмато- рах или вводится в колонну в виде питания. Для создания парово- го потока в нижнюю часть колонны вводят определенное количе- ство теплоты непосредственным впуском греющего пара (случай открытого обогрева колонны) или подачей его в специальный теп- лообменник — испаритель, в котором теплота передается кипяще- му кубовому остатку через поверхность теплопередачи (случай закрытого обогрева). 4.6.2. ФАЗОВОЕ РАВНОВЕСИЕ В СИСТЕМЕ ЭТАНОЛ—ВОДА Летучесть отдельных компонентов смеси характеризуют коэф- чициентом испарения К = у/х — отношением концентрации дан- ° вещества в паровой фазе у к концентрации его в жидкой фазе „ Условии, что рассматриваемые фазы бинарной смеси нахо- ся в равновесном состоянии. етучая часть бражки состоит в основном из воды и этанола, 125
Рис. 4.6. Зависимость концентрации спирта в паре у, температуры кипе- ния t и давления пара Р от состава жидкой бинарной смеси этанол — вода х при давлении: 7 — атмосферном; 2— ниже атмосфер- ного; 3— выше атмосферного поэтому в процессе выделения спирта бражку рассматривают как бинарную смесь этанола и воды. В верхней части рис. 4.6 линия ] изображает зависимость равновес- ного состава пара у от состава жид- кости х при атмосферном давлении и температуре кипения для смеси этанол—вода. Линия представляет собой геометрическое место точек значений коэффициентов испаре- ний этанола К3 = у/х из водно- спиртовой смеси. При малых кон- центрациях спирта в смеси значе- ния Кэ максимальны (около 13), при больших — минимальны (око- ло 1). Линия равновесного состава в точке А пересекает диагональ, сле- довательно, в этой точке состав па- ровой и жидкой фаз одинаковый. Эта точка получила название азео- тропная точка, или точка нераз- дельного кипения. Для нее у = х или Кэ = Къ = 1, где Кв — коэффи- циент испарения воды. При атмос- ферном давлении нераздельноки- пящая смесь системы этанол—вода содержит 97,2 об. % (95,57 мае. %) этанола. В соответствии с законом М. С. Вревского при повышении давления растворы с низкой кон- центрацией спирта (примерно до 30—40 мае. %) образуют пары с большим содержанием спирта, а растворы с высокой концентра- цией спирта — пары с меньшим содержанием спирта, что нагляд- но показано в верхней части рис. 4.6 пунктирной линией. Из ри- сунка также видно, что с изменением давления сдвигается и поло- жение азеотропной точки. Так, при давлении 9,33 кПа (температу- ра кипения 27 °C) нераздельнокипяшая точка смещает концентрацию этанола вправо — в сторону увеличения вплоть до х= 100%, т. е. при таком давлении пар всегда будет иметь боль- шую концентрацию спирта, нежели исходная жидкость. Анализируя положение кривой фазового равновесия, легко ус- тановить, что при атмосферном давлении пар над жидкостью бу- дет обогащаться этанолом только до азеотропной точки. Следова- тельно, путем ректификации (многократного испарения и кон 126
пии) при атмосферном давлении можно достичь максималь- иоТконнентрации этанола - 97,2 об. % Н Рели же требуется получить этанол более высокой концентра- нсобходимо уменьшить давление, тогда азеотропная точка иИ*инется вправо. Этим примером иногда пользуются на практике при получении абсолютного спирта. 4.6.3. ПОЛУЧЕНИЕ СПИРТА-СЫРЦА Спирт-сыреп получают на одно- и двухколонных ректифика- ционных установках. В процессе получения спирта-сырца из бражки отгоняются этанол и примеси с большей летучестью, чем этанол. Одноколонная сырцовая установка (рис. 4.7, а) состоит из пол- ной ректификационной колонны, дефлегматора и холодильника. Бражка нагревается в дефлегматоре и поступает в среднюю часть колонны. В нижней части колонны (отгонной, или бражной) спирт извлекается из бражки паром, вводимым в кубовую часть колонны. Бражка, освобожденная встречным потоком пара в ниж- ней части колонны, именуется после этого бардой, непрерывно выводится из колонны через гидрозатвор или бардорегулятор. В отгонной части колонны обычно 18—22 тарелки. В верхней части колонны (концентрационной, или спиртовой) устанавливают 9—10 ситчатых или многоколпачковых тарелок, на которых происходит концентрация спирта в поднимающемся по- Рис. 4.7. Схемы сырцовых ректификационных установок: б —двухколонная: 7 и 2 — бражная и спиртовая колонны; 3— дефлегма- юдильник спирта. Обозначения: А —бражка; Б —барда; В —вода; Л — лютерная вода; П — греющий пар; СС — спирт-сыреи 127
токе пара в результате встречного перемещения стекающей флег- мы. Спиртовой пар концентрацией около 88 об. % из колонны по- ступает в дефлегматор, где значительная его часть (около 2/3 > конденсируется, отдавая теплоту бражке и воде, образуя флегму Оставшаяся часть (около 1/3) спиртового пара поступает в холо- дильник, где конденсируется, превращаясь в спирт-сырец, и ох- лаждается. В отечественной промышленности применяют только одноко- лонные сырцовые установки По сравнению с двухколонными (рис 4.7, б) они проще по устройству и в эксплуатации, в них меньше расходуется пара и воды, их легко автоматизировать, од- нако имеют большую рабочую высоту и дают барду с меньшим со- держанием сухих веществ, так как она смешивается с лютерной водой. Давление в нижней части колонны обычно поддерживается в пределах 8—12 кПа; давление в верхней части зависит от состоя- ния и площади поверхности теплопередачи дефлегматора и может изменяться в пределах 1—5 кПа. Расход пара и воды на сырцовых установках колеблется в ши- роких пределах и зависит от концентрации спирта в бражке и спирте-сырце, состояния и конструкции установки, а также от ре- жима эксплуатации. На 1 дал спирта-сырца расходуется 18—26 кг пара и 0,1—0,15 м3 воды. Потери при получении спирта обычно не превышают 0,3 % спирта, введенного с бражкой. 4.6.4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОЧИСТКИ СПИРТА ОТ ЛЕТУЧИХ ПРИМЕСЕЙ Для оценки летучести примесей по сравнению с летучестью этанола введено понятие «коэффициент ректификации примесей» лр = лгп/к; = ₽х/(ау), где К,. = р/а — коэффициент испарения примесей, здесь аир— содержание при- месей в жидкости и паре; Кс = у/х — коэффициент испарения этанола, здесь х и у — содержание этанола в жидкости и паре Коэффициент ректификации показывает, на сколько увеличи- вается или уменьшается содержание примеси в паре по отноше- нию к этанолу по сравнению с жидкостью. Он позволяет в нагляд- ной форме представить поведение примеси в процессе ректифи- кации. Коэффициенты испарения и ректификации примесей зависят от концентрации этанола в водном растворе, из которого выделя- ются примеси. Все известные примеси по летучести можно разде- лить на четыре вида: головные, хвостовые, промежуточные и кон- цевые. 128
К головным примесям относят те, которые обладают большей К естью, т. е. большим коэффициентом испарения, чем эта- ЛеТУЧпри всех концентрациях его в растворе. Для них всегда 1 К основным представителям головных примесей относят- уксусный и масляный альдегиды, акролеин, муравьино-этило- вый уксусно-метиловый, уксусно-этиловый и диэтиловый эфи- 1 Летучесть хвостовых примесеи всегда меньше летучести спирта /г < ]) поэтому хвостовые примеси в смеси со спиртоводной жидкостью могут рассматриваться как ТЛК. Они будут уходить в остаток. Типичными хвостовыми примесями являются, например, уксусная кислота и фурфурол. 3 Промежуточные примеси обладают двоякими свойствами: при высоких концентрациях этанола они проявляют характер хвосто- вых примесей (Кр< 1), при низких, напротив, — характер голов- ных примесей (л£> 1). При определенной концентрации этанола в водно-спиртовых растворах летучесть промежуточных примесей равна летучести этанола (Ар = 1). В связи с этим промежуточные примеси в полной ректификационной колонне, где концентрация спирта изменяется от нуля до азеотропной точки, будут накапли- ваться в ее средней части, где К„ = 1, так как ниже этой зоны про- межуточные примеси ведут себя как головные и стремятся дви- гаться вверх по колонне; выше этой зоны они ведут себя как хвос- товые и оттесняются вниз более летучим компонентом — этано- Головные и концевые примеси (К'>1) 90 *g 70 . £ 60 ~ S 40 - |.?0 - % 20 • I 10 j Л Изомосляно-этиловый эфир » Изоволерионово-этиловый эфир _ Уксусно-изоамиловый г эфио ^—Изовалерианово-изоамило- вый эфир * Пропиловый эфир * Изобутонол Изооминал Хвостовые и концевые примеси (К'<1) примесеи Рис. 4.8. Шкала зон максимальной концентрации примесей н примерные эпюры концентраций нх в зависимости от концентрации этанола: 1 — головные; 2 — промежуточные; 3 — хвостовые; 4 — концевые 129
лом. Промежуточные примеси отбирают обычно из зоны макси- мального их накопления и, как правило, в средней части полной ректификационной колонны. Основные представители промежуточных примесей — изобу- тилкарбинол (изоамиловый), изобутанол (изобутиловый), 1-про- панол (пропиловый) спирты, изовалерианово-изоамиловый, ук. сусно-изоамиловый, изовалерианово-этиловый эфиры. Для концевых примесей, как и для промежуточных, характерна летучесть в локальных условиях, однако в противоположность им концевые примеси имеют коэффициент ректификации Кр > 1 при высоких концентрациях спирта и Кр < 1 при низких концентраци- ях. В связи с этим концевая примесь не накапливается в середине колонны, а в зависимости от концентрации этанола идет или вверх по колонне (как головная примесь), или вниз (как хвосто- вая). Характерная концевая примесь — метанол. На рис. 4.8 приведена примерная шкала зон максимальной концентрации отдельных примесей по высоте пол юй ректифика- ционной колонны и показано направление движения отдельных групп примесей в зависимости от концентрации этанола. Знание коэффициентов испарения спирта и его примесей дает возмож- ность обоснованно подойти к созданию ректификационных уста- новок для выделения спирта из бражки и его очистки от примесей путем ректификации. 4.6.5. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ БРАГОРЕКТИФИКАЦИОННЫХ УСТАНОВОК Ректификованный спирт может быть получен из спирта-сырца или непосредственно из бражки. Из спирта-сырца ректификован- ный спирт получают на периодически или непрерывнодействую- щих ректификационных установках. В спиртовой промышленности ректификованный спирт полу- чают исключительно из бражки, что считается экономически бо- лее целесообразным. Получение ректификованного спирта непос- редственно из бражки осуществляется на нспрсрывнодействую- щих брагорсктификационных установках (БРУ), на которых мож- но выделить спирт из бражки и освободить его от сопутствующих летучих примесей. В зависимости от способа включения бражной колонны в схе- му различают брагорсктификационные установки прямого, не- прямого (косвенного) и полупрямого действия. Принципиальная особенность установок прямого действия заключается в питании спиртовой колонны спиртоводным паром, выходящим непосредственно из бражной колонны. В установках прямого действия (рис. 4.9, а) теплота греющего пара использует- ся двукратно. Свежий греющий пар вводится только в нижнюю 130
Рис 4.9. Принципы построения схем брагоректификационных установок: — поямого действия; б, в — непрямого (косвенного) действия. Колонны: 1 — бражная; 2 — чпюоашюнная; спиртовая; 4— конденсатор, ГФ - головная фракция; PC — ректифико- 31 ванный спирт; СМ — сивушное масло; обозначения А, Б, Л, П — см. рис. 4.7 часть бражной 1 колонны, а эпюранионная 2 и спиртовая 3 колон- ны обогреваются спиртоводным паром, выходящим из верхней части бражной колонны. В бражную колонну подают бражку, ос- вобожденную от головных примесей (эпюрированную), и флегму, поступающую из спиртовой колонны. Принципиальная особенность установок непрямого (косвен- ного) действия (рис. 4.9, б) — предварительное извлечение из бражки спирта и сопутствующих ему примесей, в результате чего образуется спирт-сырец (бражный дистиллят), который в жидком виде направляется в эпюрационную колонну, а затем в спиртовую для очистки. Спиртоводный пар, выходящий из бражной 1 колон- ны, поступает в конденсатор 4. В эпюрационную 2 колонну пода- ют спиртоводный (бражный) дистиллят, поступающий из конден- сатора 4. Спиртоводный дистиллят в колонне 2 очищается от головных примесей под действием свежего пара, вводимого в нижнюю часть колонны. Поступающий в спиртовую 3 колонну жидкий эпюрат освобождается от хвостовых и промежуточных примесей также в результате ввода свежего греющего пара. Следует отметить, что в установках косвенного действия ко- лонны связаны между собой только жидкостными потоками, в то время как в установках прямого действия — жидкостными и паро- выми потоками. Схема установки, изображенная на рис. 4.9, в, ближе к установ- кам косвенного действия. Единственным отличием ее является питание эпюрационной 2 колонны спиртоводным паром, выходя- щим непосредственно из бражной колонны 1, а не бражным дис- тиллятом. м Грехколонная брагоректификационная установка косвенно-пря- нов°ЧНОГ° действия- Особенность брагоректификационной уста- ки косвенно-прямоточного действия состоит в эпюрации 131
бражки и обогреве эпюрационной колонны водно-спиртовыми парами бражной колонны (рис. 4.10). В верхней части бражной колонны расположено от 6 до 11 та- релок, на которых осуществляется эпюрация бражки (освобожде- ние от головных примесей), в нижней (отгонной) части — от 17 д0 23 тарелок. Установка работает следующим образом. Бражка, на- гретая до 70—75 °C, пройдя сепаратор диоксида углерода, подается на верхнюю тарелку эпюрирующей части бражной колонны, где подвергается эпюрации за счет спиртоводного пара, поступающе- го из отгонной части бражной колонны. Спиртоводный пар с го- ловными примесями из верхней части брагоэпюрационной колон- ны конденсируется в подогревателе бражки и конденсаторах. Бражный дистиллят подается на питание эпюрационной колон- ны, как и в установках косвенного действия. Бражка, освобожденная при эпюрации от основной массы примесей спирта, из эпюрирующей части бражной колонны пе- реходит в отгонную ее часть. Греющий пар, пройдя отгонную часть бражной колонны, делится на два примерно равных пото- ка: один поступает на эпюрацию бражки, другой — на обогрев эпюрационной колонны, предварительно пройдя через пеноло- вушку. При этих условиях 60—80 % спирта, содержащегося в бражке, отводится из верхней части бражной колонны и направ- ляется на тарелку питания эпюрационной колонны, а остальная часть в виде эпюрированного спиртоводного пара отводится в кубовую часть эпюрационной колонны. В остальном работа кос- Рис. 4.10. Схема брагоректификационной установки косвенно-прямоточного действия: 7, 4, 9, 13 и 16— конденсаторы; 2— сепаратор диоксида углерода; 3— подогреватель бражки. 5, 7, 11 и 14 — соответственно брагоэпюрационная, эпюрационная, спиртовая и сивушная ко- лонны; 6— пеноловушка; 8, 12, 15—дефлегматоры; 10— напорный сборник лютерной воды Обозначения: А. Б, В. Л, П — см рис. 4.7; CM, PC, ГФ — см. рис. 4.9 132
о_прямоточной установки аналогична работе установки кос- тяного действия. Ве Ректификованный спирт отбирается с 3, 7, 8 или 10-и тарел- считая сверху спиртовой колонны, охлаждается в холодиль- кИ,,е проходит контрольный снаряд и поступает в спирто-при- нин0’е отделение. Промежуточные примеси выводят из спирто- еМй Колонны в виде паров сивушного масла с 5, 7, 9 или 11-й та- Врлки и сивушного спирта (в жидкой фазе) с 17—20-й и 25-й редок, считая снизу колонны. Головные и концевые примеси (головная фракция) выделяются из эпюрационной колонны в виде пара, конденсируются и охлаждаются в дефлегматоре и кон- денсаторе. Количество отбираемых продуктов зависит от качества перера- батываемого сырья и сорта получаемого спирта-ректификата. Го- ловной фракции отбирается 0,5—2,0 % и более, сивушного мас- ла—0,2—0,4, сивушного спирта— 0,3—1,5 и спирта-ректифика- та _ 92,5—95 % от общего содержания этанола в бражке. Вакуумная брагоректификационная установка (БРУ ВАК). В процессе перегонки бражки и ректификации спирта на спиртза- воде расходуется от 70 % энсргоресурсов и воды. Поэтому акту- альными являются задачи по совершенствованию технологии и аппаратуры для максимальной экономии пара, электроэнергии и воды. Одним из эффективных путей снижения энергозатрат яв- ляется внедрение брагоректификационных установок, работаю- щих под вакуумом. Вакуумные установки позволяют снизить удельный расход пара и воды по сравнению с установками кос- венного действия не менее чем на 35—45 %. Дополнительный расход электроэнергии на создание вакуума невелик и составляет 0,1 кВт • ч/дал спирта. БРУ ВАК разработана ВНИИПрБ совместно с УкрНИИСП. БРУ ВАК косвенно-прямоточного действия состоит из четырех колонн: брагоэпюрационной, эпюрационной, спиртовой и отгон- ной (рис. 4.11). В установке под разрежением работают эпюраци- онная колонна и концентрационная часть спиртовой колонны. Остальные колонны работают под атмосферным давлением. Острый пар используется для обогрева брагоэпюрационной / и отгонной 16 колонн. Эпюрационная 6 и спиртовая 19 колонны обогреваются рекуперированной теплотой спиртовых паров бра- гоэпюрационной колонны, часть теплового потока поступает в спиртовую колонну через выносной кипятильник от отгонной ко- лонны. Вакуумная БРУ работает следующим образом. Зрелая бражка, Роидя нижнюю секцию дефлегматора спиртовой колонны 19 и догРеватель 21, нагревается до 70—75 °C и направляется в сепа- пИТОР бражки 2, где от нее отделяется диоксид углерода. Отсепа- ной°7аННаЯ бРажка поступает на 25-ю тарелку брагоэпюрацион- и 1 колонны, состоящей из шести эпюрируюших и девятнадца- 133
Рнс. 4.11. Схема вакуумной брагоректнфикапнониой установки: 1, 6, 16и 19— брагоэпюрационная, эпюрационная, отгонная и спиртовая колонны; 2—сепа- ратор бражки; 3, 4 — пеноловушки; 5, 17 и 20— кипятильники; 7, 10— дефлегматоры; 8. 9, 11 и 12— конденсаторы; 13 — сепаратор жидкости; /4 —барометрический конденсатор; 15— ва- куум-насос; 18— инжекционные устройства, 2/ —подогреватель бражки; 22—барометричес- кие сборники; 23— сборник спиртовых отгонов; 24— центробежный насос; обозначения А. Б, Л, П — см. рис. 4.7; CM, PC. ГФ — см. рис. 4.9 ти отгонных тарелок, разграниченных между собой цилиндричес- кой обечайкой (вставкой) с патрубком для отвода эпюрированных водно-спиртовых паров. Над зоной ввода бражки установлена трехтарельчатая царга, выполняющая роль пеноловушки для пре- дотвращения уноса частиц бражки с водно-спиртовыми парами из колонны. Брагоэпюрационная колонна работает точно так же, как и обычная установка косвенно-прямоточного действия. Эпюрированные водно-спиртовые пары из цилиндрической обечайки брагоэпюрационной 1 колонны через пеноловушку 4 поступают в межтрубное пространство кипятильника 5 к эпюра- ционной колонне, отдавая теплоту эпюрату для обогрева эпюра- ционной 6 колонны. Дистиллят эпюрированных водно-спиртовых паров из кипя- тильника 5 поступает в первый из двух барометрических сборни- ков 22 дистиллята, в которых поддерживается постоянный уро- вень жидкости. Далее дистиллят через регулирующую арматуру и инжектор за счет разности давлений поступает самотеком на 10-ю тарелку (считая снизу) эпюрапионной 6 колонны для дальнейшей очистки от головных и частично промежуточных примесей. Наи- более легкие несконденсировавшиеся пары дистиллята эпюриро- 134
водно-спиртовых паров так же, как и бражного дистилля- ваННспользуются для обогрева подогревателя бражки 21. та’Водно-спиртовые пары, образующие бражный дистиллят, ходят пеноловушку 3 и поступают в кипятильник 20спирто- пр?Аколонны. Конденсируются в нем, отдавая теплоту флегме Б°Иптовой 19 колонны для ее обогрева. Бражный дистиллят затем СПет во второй барометрический сборник 22, откуда поступает че- Иез регулирующее и инжекционное устройства на 25-ю тарелку рпЮпапионной 6 колонны Соотношение потоков водно-спирто- э х паров отбираемых из брагоэпюрационной колонны 7, регу- лируется шиберными задвижками, установленными перед пено- ловушками 4 и 3. Объемная доля спирта в эпюрированных вод- но-спиртовых парах должна быть в пределах 15—20 %. При этом условии обеспечивается оптимальная работа брагоэпюрацион- ной и эпюрационной колонн. Всего в эпюрационной колонне сорок многоколпачковых тарелок. Она снабжена дефлегматором 7 конденсатором 8, из которого отбирается головная фракция, и дополнительным конденсатором 9, соединенным с барометри- ческим конденсатором 14. Эпюрат из колонны 6 стекает в сборник 23, сюда же стекает и флегма из спиртовой 19 колонны. Спиртоводная жидкость насо- сом 24 подается на 16-ю тарелку (считая снизу) отгонной 16 ко- лонны, которая содержит 29 тарелок. Температура в выварной ча- сти бражной колонны 105—106 °C. Компоненты сивушного масла вместе с паровой фазой выво- дятся с 4—11-й тарелки. Под действием паров спирта, поступаю- щих в кипятильник 77 из отгонной 16 колонны, испаряется флег- ма спиртовой 19 колонны и вместе с паровым потоком, поступаю- щим из кипятильника 20, обогревает спиртовую колонну. Сконденсировавшиеся в кипятильнике 17 спиртовые пары воз- вращаются в виде флегмы на верхнюю тарелку отгонной 6 колон- ны. Часть паров из расширителя через соответствующую регули- рующую арматуру поступает в виде питания в спиртовую 19 ко- лонну. Она имеет 47 многоколпачковых тарелок, которые служат Для укрепления спирта. Температура в нижней камере 72—73 °C. Отбор ректификованного спирта производится с 8-й или 10-й та- релки, считая сверху. Спиртовая 19 колонна снабжена также дефлегматором 10, ос- новным 11 конденсатором и дополнительным 72 конденсатором, который сообщается с барометрическим 14 конденсатором. В ка- честве барометрического конденсатора используется 8— 10-та- рельчатая царга с камерой для ввода газовой оттяжки из эпюраци- Ннои и спиртовой колонн Нестандартный (непастеризованный) спирт из конденсатора 11 Стичн° возвращается обратно в спиртовую и эпюрационную ко- 1Шы на 36-ю тарелку. Для создания вакуума в системе барометрический 74конденса- 135
тор через сепаратор 13 жидкости подключен к вакуум-насосу 15 водокольцевого типа марки ВВН. В верхней части эпюрационной и спиртовой колонн поддерживается разрежение 50 кПа, а в ниж- ней части этих колонн — 30 кПа. Создание вакуума в системе снижает температуру кипения, что приводит как к экономии теплоты, так и к повышению качества спирта. За счет исключения новообразований и более полного удаления примесей можно получить практически нейтральный этиловый спирт. Брагоректификационная установка обеспечивает стабильную выработку спирта высокого качества при удельном расходе пара 34 кг/дал, воды 0,3 м3/дал и дополнительном расходе электроэнер- гии 0,17 кВт • ч/дал спирта. Установка надежно работает лишь при автоматическом управ- лении процессом. 4.6.6. КАЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ СПИРТА-СЫРЦА И СПИРТА-РЕКТИФИКАТА В спиртовом производстве из крахмалсодержащего сырья и ме- лассы вырабатывают спирт-сырец, спирт этиловый ректификат I сорта, высшей очистки, «Базис», «Экстра», «Люкс» и «Альфа». По органолептическим показателям спирт этиловый ректифи- кованный в соответствии с ГОСТ Р 51652—2000 и спирт-сырец в соответствии с ГОСТ 131—85 должны удовлетворять следующим требованиям. Внешний вид Цвет Вкус и запах Прозрачная жидкость без посторонних частиц Бесцветная жидкость Характерные для конкретного наименования этилового ректификованного спирта, вырабо- танного из соответствующего сырья, без прив- куса и запаха посторонних веществ По физико-химическим показателя ректификованный спирт и спирт-сырец должны отвечать требованиям, приведенным в табл. 4.1. Таблица 41 Физико-химические показатели ректификованного спирта и спирта-сырца Показатель I сорт Высшей очистки «Базис» «Экстра» «Люкс» «Альфа» Спирт- сырец Содержание эта- нола, %, не менее Проба на чистоту с серной кислотой 96,0 96,2 96,0 96,5 96,3 Выдерживает 96,3 88,0 136
Продолжение Показатель I сорт Высшей очистки «Базис» «Экстра» «Люкс» «Альфа» Спирт- сырец Проба на окисляе- мость, мин, при 20 °C, не менее 10 15 20 22 20 - Массовая концен- трация (в пересчете на безводный спирт), мг/дм3, не более: альдегидов 10 4 5 2 2 2 300 сивушного масла 35 8 5 6 6 6 — (1-пропанол, 2-пропанол, изобу- танол и изоамилол, 1 -бутанол) изоамилола и изо- 15 4 5 3 2 2 5000 бутанола (3:1) сухого остатка — — 15 — — — — Содержание метано- 0,05 0,05 0,05 0,03 0,03 0,03 0,13 ла в пересчете на безводный спирт, об.%, не более Массовая концентра- ция в безводном спирте, мг/дм3, не более: эфиров 30 15 15 10 5 10 500 свободных кис- 20 15 15 12 8 12 — лот (без СО2) азотистых лету- — — 10 — — — — чих оснований (в пересчете на азот) Содержание фурфурола в спирте не допускается. Спирт «Люкс» и «Экстра» вырабатывают только из зерна и картофеля (содержание картофеля в смеси не должно превышать 35 % для спирта «Люкс» и 60 % для спирта «Экстра»). Спирт «Альфа» вырабатывают из пшеницы, ржи или из смеси пшеницы и ржи. 4.6.7. ВЫХОД СПИРТА Выход спирта — это количество спирта в декалитрах (дал), по- лучаемое из 1 т сбраживаемых углеводов сырья (крахмала, сахара) в пересчете на крахмал. Теоретический выход спирта вычисляется 137
по уравнению спиртового брожения и составляет 71,98 дал из 1 условного крахмала. ‘ ‘ 1 Практический выход спирта меньше теоретического, так как часть сбраживаемых углеводов и образующегося при брожении спирта теряется. Практический выход спирта зависит от примени емой технологии и оборудования и колеблется от 81,5 до 93 % От теоретического 1
Гл а в a 5 ПОЛУЧЕНИЕ ЭТАНОЛА ИЗ МЕЛАССЫ Производство этанола из мелассы включает следующие техно- логические стадии: подготовку мелассы, приготовление чистых культур дрожжей, приготовление производственных дрожжей, сбраживание мелассного сусла, перегонку бражки и ректифика- цию спирта. 5.1. ПОДГОТОВКА МЕЛАССЫ При переработке на спирт подготовка мелассы включает гомо- генизацию (усреднение состава), подкисление, асептирование, добавление питательных веществ для дрожжей и разбавление во- дой. Мелассу, сильно инфицированную микроорганизмами, под- вергают тепловой стерилизации, а при выпуске спиртовых дрож- жей как хлебопекарных еще и очищают от взвешенных примесей. В зависимости от способа переработки мелассы (одно- или двухпоточный) мелассное сусло готовят одной или двух концент- раций сухих веществ: 22 или 12 и 32 % соответственно. Сусло кон- центрацией 12 % называется дрожжевым и служит для выращива- ния посевной культуры дрожжей, сусло концентрацией 32 % — ос- новным. Однопоточный способ применяют на заводах, вырабаты- вающих спирт и хлебопекарные дрожжи. По однопоточному способу сбраживания мелассу перед взве- шиванием гомогенизируют путем перекачки насосом из нижней части гомогенизатора (цилиндрического резервуара) в различные места по его высоте. Дефектную мелассу сначала стерилизуют па- ром в контактной головке, затем охлаждают в пластинчатом теп- лообменнике и направляют в тот же гомогенизатор, где смешива- ют с нормальной мелассой. После взвешивания мелассу подкис- ляют, асептируют. обогащают питательными веществами, разбав- ляют водой до концентрации сухих веществ 35—40 % в пециальном смесителе, очищают от взвешенных примесей на се- параторе-кларификаторе и окончательно разбавляют до концент- рации 22 %, Мр двУхп°точному способу сбраживания гомогенизированную взв аССУ’ пРедназначеннУю для приготовления дрожжевого сусла, еШивают, как и по однопоточному способу, подкисляют, асеп- 139
тируют, обогащают питательными веществами и разбавляют во- дой до концентрации сухих веществ 12%. При этом количество кислоты и питательных солей, рассчитанное на всю мелассу, вно- сят непосредственно в дрожжевое сусло. Мелассу, предназначен- ную для приготовления основного сусла, после взвешивания толь- ко асептируют, а затем разбавляют до концентрации 32 %. Мелассное сусло необходимо сбраживать в условиях, исключа- ющих развитие посторонних микроорганизмов, продукты обмена которых отрицательно влияют на жизнедеятельность дрожжей. Сбраживание мелассного сусла дрожжами протекает при pH око- ло 5. Эффективнее подкислять и асептировать неразбавленную ме- лассу, так как в ней создаются более высокие кислотность среды (1,6—2,4° при однопоточном и 3,5—4° при двухпоточном спосо- бах) и концентрация антисептика. Для подкисления используют серную или соляную кислоту. Антимикробные препараты, приме- няемые для асептирования мелассы, должны обладать высоким бактерицидным действием, но в то же время не должны отрица- тельно влиять на жизнедеятельность дрожжей и качество спирта, не быть токсичными для животных. Нормативный расход анти- микробных препаратов (кг на 1000 дал спирта для каждого в от- дельности): хлорной извести — 11,0; 40%-го формалина — 5,0; сульфонола — 2,13. При получении хлебопекарных дрожжей вы- делением их из мелассно-спиртовой бражки норма расхода хлор- ной извести может быть увеличена до 20—25 кг. Хлорную известь применяют в виде декантированного водного раствора. Киевский технологический институт пищевой промышленнос- ти рекомендует проводить стерилизацию инфицированной мелас- сы при концентрации сухих веществ 50 % и температуре 120— 130 °C в течение 1 мин на установке, состоящей из паровой кон- тактной головки (стерилизатора), выдерживателя, испарительной камеры, конденсатора и вакуум-насоса. В мелассе содержится 0,3—0,5 % взвешенных частиц, состоя- щих примерно наполовину из органических веществ (коллоидов). Из минеральных веществ присутствуют преимущественно из- весть, соли кремниевой кислоты и оксиды железа. Взвешенные частицы засоряют дрожжевые сепараторы и затрудняют промывку дрожжей. Кроме того, они уменьшают выход дрожжей, придают им темный цвет и понижают стойкость при хранении. Поэтому очистку мелассы проводят на сепараторах-кларификаторах под действием центробежных сил. Для лучшего питания дрожжей при брожении к мелассе в спе- циальном смесителе добавляют ортофосфорную кислоту, сульфат аммония или мочевину, реже диаммонийфосфат. В качестве анти- септика добавляют разбавленную серную или соляную кислоту, а также другие вещества, обеспечивающие чистоту брожения. Для повышения выхода дрожжей рекомендуется установить 140
единый (общий) расход ортофосфорной кислоты — 0,06 % от мас- сы мелассы, или 21,5 кг на 1000 дал спирта, сульфата аммония 20 кг и мочевины 8 кг на 1000 дал спирта. Все эти вещества ис- пользуют в виде декантированных растворов с пяти-шестпкрат- ным количеством воды. Для разбавления мелассы до необхо шмой концентрации разработаны непрерывнодействующие смесители. 5.2. ПРИГОТОВЛЕНИЕ ЧИСТОЙ КУЛЬТУРЫ ДРОЖЖЕЙ Мелассное сусло сбраживают различными расами дрожжей, чаше — одновременно двумя. Большинство гибридов дрожжей на- капливает больше биомассы и на 10—12 % больше глицерина при различном количестве других продуктов. Например, при исполь- зовании гибрида 112 в зрелой бражке накапливается альдегидов, высших спиртов и сложных эфиров примерно на 10—20% мень- ше, чем при использовании расы В. Гибрид 93 образует альдеги- дов в 4,3; эфиров в 1,36 раза больше по сравнению с той же расой дрожжей, принятой за контрольную. Гибриды накапливают меньше непредельных соединений (на 10—15%) и значительно меньше летучих азотистых соединений (на 70—75 %). Эти примеси, характерные для мелассного спирта, трудно выделить при ректификации, в результате чего значитель- но ухудшается качество спирта. Особенностью всех гибридов яв- ляется накопление в бражке органических кислот. Дрожжевые гибриды следует применять с учетом их индивидуальных свойств: способности сбраживать раффинозу, ферментативной (мальтаз- ной) активности и др. Режимы размножения чистой культуры дрожжей представлены в табл. 5.1. При размножении чистой культуры дрожжей в пробирках при- меняют неподкисленное сусло из измельченного сухого ячменно- го солода. Для размножения чистой культуры на 1—4-й стадиях перед стерилизацией используют мелассное сусло с добавлением 10%-го (по объему) солодового сусла; на 5—7-й стадиях — меласс- ное сусло с добавлением фосфорного и азотного питания (орто- фосфорной кислоты и карбамида). Сусло готовят на воде, отвечающей требованиям, предъявляе- мым к питьевой. После стерилизации в специальных аппаратах при температуре 95—100 °C в течение 1 ч его охлаждают до 30 °C. В лабораторных условиях дрожжи из пробирки размножают на стерильном сусле, доводя объем до Здм3, соблюдая микробиоло- гическую чистоту. Затем их пересевают в четыре трехлитровые бу- тыли: из одной бутыли дрожжи направляют в аппараты чистой культуры (АЧК-1) для дальнейшего размножения, а три хранят при температуре от 2 до 4 °C для последующей замены дрожжей. Когда в холодильной камере останется только одна бутыль, из 141
размножения чистой культуры дрожжей АЧК.-3 5000 4000 17-18 0,8-0,9 15-16 28-30 Тоже Дрожжегенсратор 30000-50000 24000-40000 20—22 0,4—0,5 10—17 28—30 » 142
нее снова дрожжи пересевают в четыре бутыли Таким образом размножают дрожжи в течение месяца. Чистую культуру дрожжей из пробирки разводят 1 раз в месяц. 5.3. СХЕМА СБРАЖИВАНИЯ МЕЛАССЫ ОДНОПОТОЧНЫМ СПОСОБОМ Однопоточный способ сбраживания сусла рекомендуется для заводов, выпускающих спирт и хлебопекарные дрожжи. Стой- кость дрожжей, полученных однопоточным способом, при хране- нии выше, чем стойкость дрожжей, полученных двухпоточным способом. При однопоточном способе сбраживания готовят сусло одной концентрации — 22 %. Мелассное сусло используют как для раз- множения дрожжей, так и для получения этанола, в результате чего упрощаются технология и управление процессом брожения. Аппаратурно-технологическая схема сбраживания мелассы одно- поточным способом приведена на рис. 5.1. Меласса из железнодорожных цистерн 47сливается самотеком в заглубленные приемные резервуары 46 и 45 соответственно для дефектной и здоровой мелассы. Через ловушки механических примесей 48 и 44 дефектную мелассу насосом 49 и здоровую ме- лассу насосом 43 перекачивают в соответствующие мелассохрани- лища 40 и 39. Остродефектную (сильно инфицированную) мелас- су насосом подают в контактную головку 36, где ее мгновенно на- гревают до температуры стерилизации. Стерилизованную мелассу охлаждают водой в пластинчатом теплообменнике 35, после чего ее направляют на усреднение в гомогенизатор 42, в который из мелассохранилища 40 через ловушку механических примесей 38 насосом 37 подают здоровую мелассу. Смешивание мелассы в го- могенизаторе достигается путем перекачки ее насосом 41 из ниж- ней части емкости в различные по высоте участки гомогенизатора. Усредненную мелассу подают на весы 8. Минеральные кислоты из железнодорожных цистерн перека- чивают насосом в сборники 4 и 3, из которых насосами 7 и 2 на- правляют в мерники 10 и 72. Раствор мочевины готовят в баке-де- кантаторе 5, смешивая ее с 5—6-кратным количеством воды, а за- тем насосом 6перекачивают в мерник 77. Антисептик из сборника 7подают в мерник 9. Взвешенная меласса в смесителе 13 смешивается с кислотами, питательными веществами и антисептиком, поступающими из со- ответствующих мерников. Из смесителя мелассу направляют в два или три сборника 14 асептированной мелассы, общая вместимость которых рассчитана на суточный запас. В этих сборниках меласса дополнительно перемешивается циркуляционным насосом высо- кой производительности Асептированная меласса через ловушку 143
Рис. 5.1. Аппаратурно-технологическая схема сбраживания мелассы однопоточпым способом
механических примесей 34 насосом 33 перекачивается в на- ялЯный сборник 32, из которого она под постоянным напором П°Ртупает в смеситель 31, где разбавляется холодной и горячей во- П°1 поступающей из сборников 17 и 18, до концентрации около ял o' Разбавленную мелассу освобождают от взвешенных приме- е/°и частично от микрофлоры на кларификаторе 30. Под давле- сием 0,35—0,40 МПа осветленный раствор из кларификатора под- нимается в напорный сборник 75, а затем в смеситель 76 для окон- чательного разбавления водой до концентрации 22 %. Осадок (щпам), полученный при осветлении мелассы, выгружают в сбор- ник 29,’промывают водой для извлечения сахара и после отстаива- ния декантируют в сборник 28. Поскольку при промывке шлама из него вымывают значительное количество микроорганизмов, полученный раствор дополнительно асептируют и чистый возвра- щают в производство, используя в дальнейшем для приготовления мелассного сусла. Промытый шлам выбрасывают. Из смесителя 76 мелассное сусло концентрацией сухих веществ 22 %, титруемой кислотностью 0,4—0,7° и температурой 22—24 °C непрерывным потоком поступает в дрожжегенераторы 22. Чистая культура дрожжей размножается на стерилизованном мелассном сусле в аппаратах 19—21 чистой культуры Из большого аппарата 27 чистой культуры ее подают в дрожжегенераторы. В дрожжеге- нераторах дрожжи выращивают при температуре 28—30 °C и по- стоянных аэрации и притоке сусла. В производственных дрожжах видимое содержание сухих веществ должно составлять 16—17 %, содержание спирта — 3—3,5 об. %, количество дрожжевых кле- ток—10—120 млн/см3 и кислотность —0,4—0,7°. Аппараты чис- той культуры и дрожжегенераторы оснащены коммуникациями для подачи пара, воды, воздуха и мелассного сусла. Производственные дрожжи при помощи специальных воронок непрерывно отводят через наклонный коллектор в головной аппа- рат бродильной батареи 27, состоящей из 9—11 аппаратов. Бродя- щее сусло по переточным трубам последовательно проходит все бродильные аппараты, а зрелая бражка, пройдя сквозь механичес- кие фильтры 26, насосом 25 подается на сепарацию в цех хлебопе- карных дрожжей. Освобожденную от дрожжей бражку подают в ректификационное отделение. Газы брожения из дрожжегенераторов после освобождения от спирта в спиртоловушках 23 и 24 выбрасываются в атмосферу (так как содержание диоксида углерода в них небольшое). Освобож- денный от спирта диоксид углерода, удаляемый из бродильных ппаратов, поступает в цех по получению жидкого диоксида угле- Р° '^,;^1О“спиртовой раствор из спиртоловушек присоединяют В-К. Янчевский и А. Д. Коваленко предложили усовершен- °Ванный однопоточнь1й способ сбраживания мелассы при ухпродуктовом производстве спирта и хлебопекарных дрожжей. 145
Его сущность заключается в понижении концентрации дрожжево- го мелассного сусла до 16—17 % СВ и рециркуляции 20 % зрелых производственных дрожжей в головной дрожжегенератор с анаэ- робным сбраживанием в бродильной батарее и подачей неразбав- ленной мелассы (20—25 % от общего количества) на стадии глав- ного брожения. Особенность дрожжебродильной установки состоит в последо- вательном соединении дрожжегенераторов с вводом в них 75— 80 % количества мелассы в виде сусла концентрацией 16—17% СВ. Производственные дрожжи выращивают при дифференциро- ванном аэрировании. Зрелые производственные дрожжи из после- днего дрожжегенератора направляют в головной бродильный ап- парат. Неразбавленную мелассу непрерывно подают через расхо- домеры в два головных бродильных аппарата, в которых поддер- живают концентрацию сухих веществ бражки на уровне 20 и 22 %. Применяя такой способ сбраживания мелассы, можно умень- шить содержание вторичных и побочных продуктов брожения в зрелой бражке: глицерина на 20 %, альдегидов на 47, летучих кис- лот на 37 %, а также снизить потери с несброженными сахарами на 15 %. В результате этого выход спирта увеличивается на 0,15— 0,2%. При градиентно-непрерывном способе дрожжегенерирования в производстве спирта продуктивность процесса по биомассе дрожжей увеличивается на 15—16 % благодаря дифференцирован- ному режиму аэрирования производственных дрожжей и их ре- циркуляции. В этих условиях в производственных дрожжах увели- чивается содержание почкующихся и уменьшается количество мертвых клеток дрожжей. В зависимости от интенсивности аэрирования среды в дрож- жегенераторах выход хлебопекарных дрожжей может быть увели- чен до 5—6 кг/дал спирта. При дифференцированном аэрирова- нии расход воздуха составляет, м3/(м3 ’ ч): в первом дрожжегене- раторе — 25, во втором — 20, в третьем — 15, в четвертом и пя- том — по 5. В зрелой бражке содержание спирта колеблется от 9 до 9,5 об. %, несброженного сахара, определяемого колориметричес- ким способом с резорцином, — не выше 0,2 %. Содержание дрож- жей, если из бражки не выделяют хлебопекарные дрожжи, 18— 22 г/дм3, если выделяют, то 2,5—3,5 г/дм3. Перегонку бражки и очистку этанола от примесей проводят на таких же брагоректификационных аппаратах, что и для зернокар- тофельной бражки.
Глава 6 ТЕХНОЛОГИЯ ХЛЕБОПЕКАРНЫХ ДРОЖЖЕЙ Хлебопекарные дрожжи представляют собой биомассу дрожже- вых клеток, содержащих богатый комплекс биологически актив- ных веществ и обладающих ферментативной активностью, кото- рая обеспечивает интенсивное сбраживание сахаров муки и раз- рыхление теста. Зимазный комплекс ферментов дрожжей вызыва- ет спиртовое брожение сахаров теста. Выделяющийся при этом диоксид углерода разрыхляет и поднимает тесто, в результате при выпечке обеспечивается необходимая пористость хлеба. Дрожжи богаты витаминами (аневрин, рибофлавин, пантотеновая, нико- тиновая и фолиевая кислоты, эргостерин и др.), поэтому являются ценным продуктом для витаминизации булочных изделий. 6.1. ДРОЖЖИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ДРОЖЖЕВОМ ПРОИЗВОДСТВЕ На дрожжевых заводах выращивают дрожжи-сахаромицеты, по культуральным и морфологическим признакам они относятся к семейству Endomycetaceae, роду Saccharomyces и виду cerevisiae. В дрожжевом производстве ценятся быстроразмножающиеся расы дрожжей, обладающие хорошими подъемной силой и стойкостью при хранении и способные активно сбраживать сахара — сахарозу, глюкозу, мальтозу. Находят применение расы, устойчивые в про- цессе высушивания. В производстве прессованных хлебопекарных дрожжей предпочтительно используются расы дрожжей, характе- ризующиеся дрожжевыми клетками крупного размера диаметром от 6—8 до 7—9 мкм с высокой мальтазной активностью: 4; 11; 14; 21; 28; ЛФ12; Л1; 608; 616; 722 и др. Химический состав дрожжей зависит от физиологического со- стояния клетки, расы и состава питательной среды. Прессованные дрожжи содержат 25—28 % сухого вещества и 72—75 % воды. Вода с растворенными в ней минеральными и органическими веще- ствами проникает в клетку, и все важные жизненные реакции протекают в водном растворе: свободная вода участвует в процес- сах обмена веществ, связанная вода удерживается белковыми мо- лекулами при помощи водородных связей и, таким образом, явля- ется частью структуры протоплазмы дрожжевой клетки. 147
Сухие вещества дрожжей представлены следующими компо- нентами (%): белок — 37—50; общий азот — 6—8; безазотистые ве- щества — 35—45; жир — 1,5—2,5; зола — 6—10. Соотношение белков и углеводов зависит от расы и от направ- ленного его изменения в процессе культивирования дрожжей. Непременной составной частью протоплазмы дрожжевых кле- ток являются ферменты, осуществляющие биохимические превра- щения в клетке. Известно, что деятельность ферментов может проявляться внутри клеток (эндоферменты) и вне клеток (экзо- ферменты). Экзоферменты подготовляют питательные вещества окружающей среды в растворимые и легко диффундирующие в клетку соединения. Эндоферменты дрожжей ускоряют химичес- кие реакции процессов дыхания и брожения, а также те реакции, которые приводят к образованию самой протоплазмы клетки. 6.2. УСЛОВИЯ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СИНТЕЗ БИОМАССЫ ДРОЖЖЕЙ В основе жизнедеятельности любого организма лежат процес- сы обмена веществ, для протекания которых требуется постоян- ный и непрерывный приток энергии. Большинство организмов для поддержания своей жизни используют энергию, освобождаю- щуюся во время диссимиляции органических веществ, в первую очередь сахара. В дрожжевой клетке диссимиляция сахара может происходить либо аэробным (дыхание), либо анаэробным (броже- ние) путем. Расщепление сахаров происходит по циклу Кребса. Образующаяся при этом щавелевоуксусная кислота может реаги- ровать с аммиаком, превращаясь в аспарагиновую кислоту, являю- щуюся основой белковой структуры клетки Другой путь окисли- тельного превращения углеводов — пентозофосфатный цикл. Предполагается, что основное значение этого цикла — снабжение живого организма пентозами, необходимыми для синтеза нуклеи- новых кислот и накопления биомассы. Основная роль в синтезе белка принадлежит нуклеиновым кислотам, которые образуют протоплазму живой клетки. В их состав входят пуриновые или пи- римидиновые основания, сахар — пентоза и фосфорная кислота. Синтез белков происходит в рибосомах клетки за счет энергии, выделяющейся при дыхании и брожении. В улавливании и ис- пользовании этой энергии клеткой участвуют макроэргические соединения, и в первую очередь аденозинтрифосфорная кислота. Ферментативный синтез белка в живых системах начинается с процесса активирования аминокислот. Для каждой аминокислоты существует свой специальный фермент. На жизнедеятельность дрожжевых клеток оказывают значи- тельное влияние такие факторы внешней среды, как температура, pH, аэрация, концентрация осмотически действующих веществ. 148
Температура. Дрожжи относятся к мезофильным микроорга- змам, температурный оптимум 29—30 °C. В диапазоне темпера- Н/п 20—36 °C удельная скорость роста возрастает прямо пропорци- Т ально повышению температуры. При температуре выше 36 °C °пельная скорость роста сахаромицетов резко падает и практичес- ки прекращается при 40 °C, несахаромицеты при этом продолжа- ет пасти. Наилучшая подъемная сила хлебопекарных дрожжей при температуре 30 С. Повышение температуры культивирования приводит к умень- шению выхода дрожжей в результате снижения содержания влаги и в связи с этим массы дрожжевых клеток, а также вследствие уве- личения расхода питательных веществ на брожение Одновремен- но резко ухудшается качество продукции вследствие интенсифи- кации размножения посторонних дрожжей и бактериальной мик- рофлоры. Инфицирующая микрофлора потребляет субстрат, предназначенный для дрожжей, и, в свою очередь, снижает выход сахаромицетов. При температуре 45—50 °C дрожжи погибают. Низкие температуры дрожжи не убивают, но приостанавлива- ют их жизнедеятельность, наступает состояние анабиоза с после- дующим восстановлением нормальных функций при благоприят- ных условиях. Дрожжи хорошо переносят минусовые температуры и в замороженном состоянии могут храниться неограниченное время. При оттаивании и повторном замораживании дрожжи по- гибают. Активная кислотность (pH) среды. Дрожжи сохраняют жизне- способность в широких пределах колебания pH — от 2,5 до 6,5. Оптимальная величина pH питательной среды для размножения дрожжей 4,5—5,5 ед. От величины активной кислотности среды зависят скорость поступления питательных веществ в клетку, ак- тивность ферментов в синтезе белка, образование витаминов, а следовательно, и скорость роста дрожжевых клеток. В первые часы размножения дрожжей pH рекомендуется поддерживать на уровне 4,5—4,6, а к концу процесса постепенно повышать до 5,0— 5,5, что обеспечивает высокий выход и хорошую подъемную силу дрожжей. В период быстрого прироста биомассы и использования аммонийного азота pH резко понижается. В случае подкисления среды ниже pH 4,0 необходимо при помоши аммиачного раствора, подаваемого в дрожжерастильный аппарат вместо сульфата аммо- ния^ доводить pH до нормы. Чтобы предотвратить подщелачивание среды, подачу мелассо- Bbix и солевых растворов следует отрегулировать в соответствии со скоростью роста и размножения дрожжей. Концентрация питательных веществ среды. Скорость роста Дрожжей обусловлена осмотическим давлением водорастворимых сществ среды и концентрацией клеточного сока дрожжей. Осмо- ческое давление внешней среды должно быть ниже, чем осмо- пческое давление клеточного сока, что способствует усвоению 149
питательных веществ растущей дрожжевой клеткой. Чем больще разница в величине осмотического давления в клетке и среде, тем быстрее накапливается биомасса дрожжей. Концентрация сухих веществ в клеточном соке дрожжей хлебопекарных рас колеблется от 3 до 6% и характеризуется осмотическим давлением 0,8— 1,2 МПа в зависимости от условий выращивания. Осмотическое давление повышается при культивировании дрожжей в более кон- центрированных средах. Осмотическое давление в культуральной среде увеличивается с повышением в ней концентрации сухих ве- ществ. Концентрация питательной среды в дрожжевом производстве характеризуется кратностью разбавления, т. е. отношением едини- цы массы мелассы к количеству воды, в которой она растворена. Кратность разбавления мелассы влияет на выход и качество гото- вой продукции. В зависимости от стадии выращивания дрожжей готовят мелассное сусло различной кратности разбавления. Так, на начальных стадиях стремятся получить дрожжи, физиологичес- ки активные, способные к быстрому размножению и сбражива- нию углеводов. Поэтому их культивируют в малоразбавленных средах (1 : 5—1 : 7) при слабой аэрации. В этих условиях часть са- хара неизбежно тратится на образование этанола. На конечных стадиях стараются получить как можно больший выход дрожжей, поэтому их выращивают в более разбавленных мелассных средах (1 : 10—1 : 17) при интенсивной аэрации. Содержание сахара в среде должно точно соответствовать скорости размножения дрож- жей. С этой целью питательную среду вводят в дрожжерастильный аппарат не единовременно, а по мере использования ее дрожжа- ми. При соблюдении этого условия получают максимальный вы- ход дрожжей. Аэрация культуральной среды. Рост дрожжей сопровождается непрерывным потреблением кислорода на дыхание и синтез кле- точных веществ. Кислород, растворенный в питательной среде, диффундирует в дрожжевую клетку при разности концентраций его в среде и внутри клетки. Чем быстрее идет потребление кисло- рода клетками, тем скорее растут дрожжи. Растворенный кисло- род подавляет спиртовое брожение и активизирует процесс дыха- ния, при котором дрожжи получают достаточно энергии для биосинтеза. Поэтому в анаэробных условиях культивирования дрожжей преобладает спиртовое брожение с минимальным по- треблением сахара на биосинтез, а в аэробных условиях, наоборот, почти весь сахар тратится на синтез биомассы дрожжей, а спирто- вое брожение сводится к минимуму. Торможение спиртового брожения кислородом называют эф- фектом Пастера, который служит в дрожжевом производстве средством эффективного использования сахара на синтез биомас- сы путем интенсивной аэрации среды в процессе культивирова- ния дрожжей. Для максимального выхода дрожжей необходимо 150
чие в мелассном сусле не менее 1,6 г растворенного кислоро- H‘lJLa i г использованного инвертного сахара. Однако практически Да ,,-1ается ввести в сусло более 2 г кислорода на 1 дм3 в час |при несходе воздуха 100 м3/(м3 ч)], в связи с чем ограничивается воз- зкность переработки более концентрированного сусла. На пол- ноценной питательной среде дрожжи выращивают при полном их обеспечении кислородом с аэрацией 100—175м3/ч воздуха на 1 м3 ^Требования к составу питательной среды. При выращивании хлебопекарных дрожжей готовят питательную среду, обеспечива- ющую растущие дрожжи как компонентами, входящими в состав дрожжевых клеток, так и веществами, которые способствуют их быстрому росту и размножению. Для питания микроорганизмов нужны углерод, азот, фосфор, калий, магний, микроэлементы и ростовые вещества. Источни- ками углерода для дрожжей служат легкоусвояемые углеводы, моно- и дисахара, а также спирты, альдегиды и органические кислоты. Азотным питанием могут быть растворимые соединения азота (органические и неорганические). Сложные высокомолекулярные углеводы и протеины дрожжами не усваиваются, так как в них не содержатся ферменты, гидролизующие эти вещества. Дрожжи усваивают продукты распада белков, аминокислоты, амиды и аммонийные соединения. Бетаин и нитраты не потреб- ляют. Большую роль в жизнедеятельности дрожжей играют макро- элементы (К, Na, F, Mg, Са и др.) и микроэлементы (Fe, Си, Мп, Zn, А1 и др.), поэтому их присутствие в питательной среде обяза- тельно. Дрожжам необходимы также ростовые вещества и витамины, особенно биотин. Сахаромицеты не способны синтезировать био- тин, и для нормального их развития они потребляют его из пита- тельной среды. Скорость накопления биомассы дрожжей. Интенсивность накоп- ления биомассы характеризуется скоростью роста и размножения Дрожжевых клеток. Скорость роста указывает на увеличение мас- сы клеток, а скорость размножения — на частоту их почкования. Для оценки скорости роста и размножения клеток используют от- носительную (удельную) скорость роста, которая представляет со- бой прирост биомассы за единицу времени. Удельную скорость роста ц определяют логарифмическим от- ношением количества биомассы mt, полученной за время t, к ко- личеству дрожжей w0, засеянных в дрожжерастильном аппарате, ц = 1п(т1/т0)/1. Для оценки размножения клеток пользуются понятием «про- 151
должительность генерации», т. е. временем, в течение которог обособившаяся молодая клетка вырастает до величины, свои ственной данной расе, и начинает почковаться. Продолжитель" ность генерации q = 0,693/ц. На практике удельная скорость роста дрожжей на мелассном сусле колеблется от 0,05 до 0,37 ч-1. На конечных стадиях выра- щивания хлебопекарных дрожжей ц = 0,14—0,16. Величина ц за- висит от наличия в культуральной среде необходимых для жизне- деятельности клеток компонентов и в требуемых количествах, ра- совых особенностей, качества маточных дрожжей, обеспеченнос- ти клеток кислородом, присутствия в среде активаторов и ингибиторов. Удельная скорость служит основанием для опреде- ления почасового расхода питательной среды, а также продуктив- ности накопления биомассы. Продуктивность, или количество, дрожжей, получаемых за 1 ч с единицы объема аппарата (кг/ч • м3)' <2=ц*, где х — концентрация дрожжей, кг/м3. 6.3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА ХЛЕБОПЕКАРНЫХ ДРОЖЖЕЙ Технологический процесс производства хлебопекарных дрож- жей состоит из следующих основных этапов- приготовления пита- тельной среды, культивирования маточных и товарных дрожжей, выделения, прессования, формования и упаковывания прессован- ных дрожжей, сушки и упаковывания сушеных дрожжей. 6.3.1. ПРИГОТОВЛЕНИЕ ПИТАТЕЛЬНОЙ СРЕДЫ Подготовка и осветление мелассы. Основным сырьем для произ- водства дрожжей служит меласса. Состав мелассы непостоянен. В хранилищах меласса располагается пластами и очень медленно диффундирует в слои соседних пластов. Для эффективной перера- ботки ее необходимо тщательно перемешивать до получения го- могенной массы. Гомогенизацию проводят непосредственно в хранилищах пу- тем многократного перекачивания с подачей мелассы в разные места резервуара в течение 2—3 нед либо перемешиванием мелас- сы сжатым воздухом, постоянно подаваемым со скоростью 20— 30 м/ч. Осветление мелассы строго обязательно. На неосветленном 152
еле независимо от степени его подкисления дрожжи получают- ся с пониженным выходом, стойкостью и подъемной силой по СЯавнению с показателями дрожжей, полученных на осветлен- ном сусле. „ Все способы осветления складываются из химической обработ- Мелассы (растворение, антисептирование, подкисление) и вы- деления осадка декантацией, центрифугированием или фильтро- ванием. Наиболее эффективным и распространенным способом осветления является обработка мелассы на сепараторах-кларифи- каторах. Мелассу, подлежащую осветлению, разбавляют водой в специальных рассиропниках. Кратность разбавления для нор- мальных меласс 1 : 1 — 1 : 2, а для сильно инфицированных и с по- вышенным содержанием солей кальция 1 : 2,5—1 : 3. С увеличени- ем кратности разбавления эффективность очистки повышается вследствие снижения вязкости раствора. Перед подачей на кларификаторы подготовленный раствор подвергают антисептированию одним из следующих способов: обработкой на холоде антисептиком с последующим подкисле- нием серной кислотой до pH 4,5—5,0; кипячением мелассы в рассиропниках и подачей ее на клари- фикаторы в горячем виде; стерилизацией раствора в пластинчатых теплообменниках с выдерживанием при 85—115 °C в течение 30—60 с и охлаждением до 15 °C, на кларификаторы подается охлажденный раствор. При центрифугировании из мелассного раствора удаляют взве- шенные частицы, коллоидные и красящие вещества, часть микро- организмов. Приготовление растворов солей и кукурузного экстракта. В зави- симости от состава мелассы возникает необходимость в добавле- нии в питательную среду соответствующего количества минераль- ных солей, содержащих фосфор, азот, калий, магний, а также сти- муляторы роста в виде кукурузного экстракта, дрожжевого автоли- зата и др. Соли фосфора и азота добавляют исходя из того, что прессованные дрожжи должны содержать 3,6—4,4 % Р2О5 и 6—7 % N в пересчете на сухое вещество. В качестве источника азота при- меняют сульфат аммония, карбамид, аммиачную воду, диаммо- нийфосфат. Фосфорсодержащей добавкой служит также пищевая ортофосфорная кислота. При переработке мелассы с содержанием менее 3,5 % К2О добавляют хлорид или карбонат калия. При ис- пользовании мягкой воды и мелассы с MgO менее 0,15 % приме- няют сульфат магния. Растворы питательных солей готовят для каждой соли отдельно концентрацией 10—20 % путем растворения в воде. После отстаи- вания прозрачные растворы подают в сборники, откуда они дози- руются в дрожжерастильные аппараты в соответствии с установ- ленным графиком их расхода. Кукурузный экстракт используют как источник биотина. Это 153
уваренные под вакуумом замочные воды кукурузно-крахмального производства — густая непрозрачная жидкость, содержащая не менее 48 % сухих веществ и 150—200 мкг/100 г биотина. Кукуруз, ный экстракт ввиду большой обсемененности микроорганизмами стерилизуют. Предварительно экстракт смешивают с водой в соот- ношении 1 : 2, нагревают до кипения, а затем полученный раствор обрабатывают биомицином из расчета 5—10 г/м3. Расход кукуруз- ного экстракта 6 % к массе мелассы. В качестве стимулятора роста Украинским отделением ВНИИХП рекомендован комплексамин. получаемый путем кис- лотного гидролиза кератинового сырья мясной промышленности. Расход препарата I сорта 2,8—3,6 %, а для И — 5,4—6,8 % от массы мелассы. При использовании стимуляторов на 30—40 % снижается расход азотсодержащих солей. В качестве источника ростовых веществ и микроэлементов ре- комендуется использовать гидролизаты молочной сыворотки. Гидролиз сыворотки необходим для расщепления лактозы на сбраживаемые сахаромицетами дрожжей моносахара. Гидролиз проводится разведением упаренной, сгущенной сыворотки водой в соотношении 1 : 10 и 1 :20, подкислением серной кислотой до pH 3 и выдержкой при температуре 100 °C в течение 1 ч с последу- ющим отстаиванием с целью осветления. Расход осветленного гидролизата 0,9—13 м3 на 1 т мелассы. Дрожжевые автолизаты получают плазмолизом с последующим протеолизом белковой протоплазмы дрожжевой клетки. Для при- готовления автолизатов используют брак прессованных и суше- ных дрожжей, а также некондиционную продукцию. Расход авто- лизата в пересчете на прессованные дрожжи составляет 5—6 % от массы мелассы. Для интенсификации процесса выращивания товарных дрож- жей и повышения выхода ВНИИХП рекомендует использовать комплексный препарат микроудобрений, содержащий семь мик- роэлементов и выпускаемый промышленностью для сельского хо- зяйства. Дозировка препарата 0,5 г на 1 м3 питательной среды. 6.3.2. ПОЛУЧЕНИЕ МАТОЧНЫХ ДРОЖЖЕЙ Размножение маточных дрожжей начинают в пробирке с чис- той культурой, полученной в лаборатории биохимии и технологии дрожжей ВНИИХП или выведенной в заводской лаборатории и высеянной в пробирке с питательной средой (агар на солодовом сусле). В технологии современного хлебопечения предпочитают расы дрожжей с высокой мальтазной активностью. Дрожжи должны от- личаться пониженной активностью протеолитических ферментов. При этом имеют значение исходные свойства расы дрожжей, а 154
. — режимы выращивания, направленные на получение дрож- хейс различными признаками с учетом их последующего исполь- зования. w Первые стадии размножения дрожжей проходят в лаборатории „вода, затем чистая культура поступает в специальный цех для получения маточных дрожжей и, наконец, в заводские аппараты для их производства. Постепенным переходом от одной стадии к другой достигают такого накопления маточных дрожжей, какое необходимо для за- сева дрожжерастильного аппарата товарного отделения. Степень накопления дрожжевой массы по отдельным стадиям, а также качество дрожжей (их генеративная активность) зависят от условий культивирования: состава питательной среды, концентра- ции сухих веществ, длительности культивирования, степени аэра- ции и температуры. Важно, чтобы пересевы культур по стадиям, от пассажа к пассажу, проходили в период жизнедеятельности дрожжей, поэтому пересев следует вести на несколько часов рань- ше, чем полностью отбродит сахар среды. Лабораторные стадии и стадии отделения чистых культур при выращивании маточных дрожжей существенно отличаются от принятой технологической схемы. Особенности выращивания маточных дрожжей по различным тех- нологическим схемам. Различия в культурах и условиях выращива- ния оказывают решающее влияние на физиологические свойства и продуктивность маточных дрожжей. Сравнение методов получения чистой культуры (ЧК) по схе- мам ВНИИХП, Узловской и Эркен-Шахарской, проведенное в ЛО ВНИИХП, показало влияние отдельных технологических при- емов на конечный результат. Различия в схемах наблюдаются на- чиная с лабораторных стадий (табл. 6.1). Таблица 6.1 Сравнительные показатели лабораторных стадий выращивания чистой культуры дрожжей по различным схемам Схема вы- ращива- ния Ста- дия Среда Объем среды, см’ Засев, см’ Длитель- ность броже- ния, ч Выхол дрож- жей, % Удельная скорость роста, ч-1 ВНИИХП I Солодовое сусло с 10-15 Петчей 16-24 5,7 — II добавлением обога- 50 5 0 16-24 6 5 0,125 III тителей 450 50 16-24 10,2 0,108 IV 7000 900 16-24 7 5 0,107 узловская I Меласса с добав- 50 Петлей 24 7,7 — 11 лением мальц- 250 5,0 24 15,7 0,190 III экстракта и солей 6000 200 30 10,7 0,072 Эркен-Ша I Солодовое сусло 100 Петлей 24 6 9 0,131 харская II 100 0,5 24 5,1 0,208 III 100 0,5 24 7,0 0,229 IV 250 0,5 48 8.1 0,126 V 3500 250 24 66 0,105 155
По Узловской схеме для II стадии и Эркен-Шахарской для и III и IV стадий практикуется малый засев. Это приводит к резкому повышению скорости роста, достигающей величины 0,229 в щ стадии по Эркен-Шахарской и 0,190 во II стадии по Узловской схемам. Дальнейшие приемы предусматривают снижение скорости рос- та. Для этого в Узловской схеме на III стадии увеличен засев, а в Эркен-Шахарской удвоена длительность выращивания. Только в Эркен-Шахарской схеме применяется V стадия и проводится она с большим засевом. Общим для трех схем является применение в цехе чистых куль- тур и на производстве плотных сред и добавок ростовых веществ (по схеме ВНИИХП — дестиобиотин, Узловской — мальц-экст- ракт, Эркен-Шахарской — биотин). Режимы выращивания маточных дрожжей в цехе ЧК и на про- изводстве приведены в табл. 6.2. Таблица 6.2 Сравнительные показатели производственных стадий выращивания маточных дрожжей в заводских условиях Схема выра- щивания Стадия Кратность разбавления Аэрация, дм3/(дм3/мин) Засев, % от массы мелас- сы Накоп- ление дрож- жей, г/дм3 Выход дрож- жей, % Удельная скорость роста, ч-’ началь- ная конеч- ная ВНИИХП МИН 4 4 — 1,2 20 8,8 0,176 БИН 6,5 6,5 0,7 1,6 17 10,5 0,161 ЧК-1 10 10 3-5 3,4 30 29,0 0,192 ЧК-П 84 13 5-7 10,8 35 41,0 0,158 I 5 5 0,1-0,2 4,2 26,7 11,2 0,072 II 5 5 0,1-0,2 3,8 23,3 10,3 0,082 III 5 5 0,1-0,2 2,2 25,9 11,8 0,102 Узловская 1-я гене- 5,5 5,5 0,1-0,2 2,8 22,5 11.8 0,120 рация 2-я » 8 8 0,4-1,0 5,1 21,0 22,2 0,168 З-я » 9 9 2,0-3,0 7,6 36,0 34,6 0,169 Эркен- Ша- БИН 5 5 0,1-0,2 0,46 28,5 15,6 0,272 харская ЧК-1 7 7 0,3-0,4 0,86 24,9 18,5 0,288 ЧК-П 22,5 9 16-19 5,7 73,1 63,8 0.187 ЧК-П1 54 7 9-13 20,6 145,9 86,6 0,130 Примечание. Для стадии ЧК-П по схеме ВНИИХП, а также для стадии ЧК-П и ЧК-Ш по Эркен-Шахарской схеме предусмотрена подача мелассы прито- ком. Остальные стадии неприточные Кроме данных, указанных в табл. 6.2, Эркен-Шахарская схема отличается высокими дозировками азота и фосфора из расчета содержания в дрожжах (%) на стадиях БИН — 4,9 N и 3,4 ЧК-1 — 4,3 N и 3,13 Р2О5. В последующих стадиях дозировка этих компонентов резко снижается. 156
В результате различия режимов выращивания полученные туры обладают различными биохимическим составом, бро- КУЛьной и дыхательной активностью, стойкостью, скоростью рос- ДИи другими свойствами. В составе Эркен-Шахарской культуры в W раз больше трегалозы и в 15 раз выше сумма углеводов, чем в ожжах, полученных по схемам ВНИИХП и Узловской. Этим обусловлена высокая стойкость чистых культур Эркен-Шахарских дрожжей (табл. 6.3). Таблица 6.3 Показатели качества дрожжей ЧК, выращенных по различным схемам Схема выращивания Выход дрожжей ЧК, % Мальтаз- ная ак- тивность, мин Подъемная сила(по шарику), мин Стойкость при темпе- ратуре 35 вС, ч Энергетический обмен, см’/(г СВ/ч) дыхатель- ная актив- ность <?о2 бродильная активность <?со2 ВНИИХП 41,5 116 37 64 147 132 Узловская 26,8 160 42 64 74 137 Эркен-Шахарская 85.98 95 35 120 150 78 По всем показателям лучшей из трех признана схема Эркен- Шахарского дрожжевого завода. Сепарирование маточных дрожжей. Сепараторы, предназначен- ные для маточных дрожжей, устанавливают вблизи дрожжерас- тильного аппарата. При этом должна быть предусмотрена возмож- ность тщательной дезинфекции всех коммуникаций и емкостей. По окончании брожения культуральную среду следует тотчас же подать на сепараторы, в аварийных случаях ее необходимо охла- дить до минимально возможной температуры. Маточные дрожжи сепарируют по двухступенчатой схеме. Для промывки желательно применять воду, охлажденную до 2 °C, для того чтобы концентрат после второй сепарации был охлажден до 8 °C. Охлажденное молоко хранят в специально оборудованных сборниках. Если дрожжи ЧК предназначены для прессования, то их следует хранить в отдельном помещении холодильной камеры с ограниченным доступом людей. 6.3.3. ПОЛУЧЕНИЕ ТОВАРНЫХ ДРОЖЖЕЙ Товарные дрожжи выращивают в две или одну стадию. Две ста- дии приняты на заводах, оснащенных отечественным, польским и ведским оборудованием, одна —на Эркен-Шахарском и Тби- исском заводах. В двухстадийной схеме первую стадию называют *енерацией Б или стадией засевных дрожжей, вторую — генераци- В или товарной стадией. 157
Генерация Б. Засевные дрожжи готовят по периодическим схе- мам с длительностью цикла 9—12 ч, засевают дрожжами ЧК. При передаче засевных дрожжей на товарную стадию без сепарирова- ния дозревание нецелесообразно. Передача засева в активном со- стоянии снижает длительность лаг-фазы в товарном аппарате. Ма- точные дрожжи перед засевом антисептируют. Величину засева принимают в зависимости от ожидаемой скорости роста. Питание подают из расчета полного обеспечения ожидаемого прироста биомассы всеми необходимыми компонентами. По окончании брожения дрожжи генерации Б немедленно передают для засева в товарный аппарат либо направляют в сепараторы и хранят в виде молока при температуре 2—8 °C. Засевные дрожжи должны отве- чать следующим требованиям: мальтазная активность 60— 100 мин, зимазная — 40—50 мин; содержание азота 2,0 %, Р2О5 — 1,0%; клетки должны быть крупными, равномерными. Дрожже- вая и бактериальная инфекции недопустимы. Генерация В. Как указано выше, режимы выращивания товар- ных дрожжей обусловлены принятой технологической схемой. При работе по непрерывным схемам ВНИИХП в период оттоков мелассное сусло и растворы солей подают равномерно, соответ- ственно ожидаемому почасовому накоплению дрожжей. Уровень жидкости и содержание дрожжей должны оставаться постоянны- ми. Падение накопления, как и увеличение объема отбираемой среды, приводит к вымыванию основной массы дрожжей, дающей почасовой прирост. Для эффективного ведения процесса по удлиненным режимам накопление дрожжей в основном аппарате должно быть не ниже 49—50 г/дм3. Дозревание дрожжей в отборочном аппарате длится около 1ч, аэрация — 15—25 м3/ч на 1 м3 среды, температура — 26-28 °C. По истечении срока дозревания культуральную среду следует немедленно направить на сепарирование, где под действием цент- робежной силы жидкость разделится на два потока различной от- носительной плотности (бражка — 1,0—1,002, дрожжи—1,08— 1,12). Длительное пребывание дрожжей в бражке сопровождается усилением протеолитической активности ферментов клетки, при этом ухудшаются подъемная сила и стойкость дрожжей. 6.4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ВЫРАЩИВАНИЯ ДРОЖЖЕЙ При культивировании дрожжей применяют бесприточный, воздушно-приточный и воздушно-проточный способы, различаю- щиеся режимом подачи питательных веществ, воды, воздуха и продолжительностью процесса. Бесприточный способ предусмат- ривает подачу мелассового сусла, растворов солей, стимуляторов 158
роста и воды при загрузке дрожжерастильного аппарата. Воздух подают периодически или постоянно. При воздушно-приточном способе дрожжи выращивают в аппарате с постепенным притоком питательных веществ и постоянной аэрацией. Оба способа — пе- риодические. Продолжительность выращивания 8—17 ч. При воздушно-проточном способе дрожжи культивируют с по- стоянной аэрацией, постепенным притоком питательных веществ в дрожжерастильный аппарат с одновременным оттоком культу- ральной среды в отборочный аппарат. Этот процесс — непрерыв- ный. В дрожжевой промышленности применяют несколько схем вы- ращивания дрожжей. Различия между ними заключаются в перио- дичности или непрерывности процессов, кратности разбавления сырья, количестве стадий, скорости роста, уровне технологичес- ких параметров (температура, pH, величина засевов) и др. Непрерывная схема ВНИИХП (рис. 6.1). Схема разработана Е. А. Плевако и предусматривает получение маточных и засевных дрожжей периодическим способом, а товарных — в две фазы. Первая фаза, называемая накопительной, преследует цель вырас- тить в аппарате (генераторе) «рабочую массу» дрожжей с высокой генеративной активностью, способной ежечасно давать прирост, соответствующий производственному графику. Подача питатель- ной среды соответствует ожидаемому приросту биомассы. Вторая фаза предусматривает непрерывный рост культуры и отток прироста в отборочный аппарат. В нем дрожжи дозревают в течение 1 ч и направляются в сепараторы. Для нормального дозре- вания необходимо установить два отборочных аппарата, работаю- щие попеременно. Непрерывный цикл длится 10—14 ч, затем при- ток питания прекращается, дрожжи в генераторе дозревают и на- правляются в сепараторы. Основные показатели схемы: кратность разбавления для трех вариантов —1:17, 1 : 12 и 1 : 10, удельная скорость роста 0,16 ч-1, температура среды 30 °C, pH 4,5—5,5. Об- щий выход дрожжей 85—87 % от массы мелассы. Схема Эркен-Шахарского дрожжевого завода. Схема разработа- на итальянской фирмой «Пресс-индустрия» в двух вариантах для производства готовых прессованных и сушеных дрожжей (рис. 6.2). Для обоих вариантов схемы готовят стерильные пита- тельные среды. Мелассу разбавляют горячей водой (90 °C), выдер- живают при этой температуре 30 мин и подают в кларификаторы. Осветленное сусло нагревают в пластинчатом теплообменнике до 120 °C, выдерживают 30 с в специальной трубе, охлаждают до 80 °C и направляют в приточный сборник, откуда без охлаждения пода- ют в дрожжерастильные аппараты. Процесс осветления и стерили- зации осуществляется в непрерывном потоке. Маточные дрожжи чистой культуры готовят ровно столько, чтобы обеспечить засев непосредственно в товарном аппарате, Минуя генерацию Б. Их хранят в виде дрожжевого молока при 159
Рис. 6.1. Аппаратур™-технологическая схема получения хлебопекарных дрожжей ВНИИХП: 1 — железнодорожная цистерна; 2—резервуар для слива мелассы; 3—бак для мелассы на весах; 4—весы; 5—промежуточный сборник ме- лассы; 6— мелассохранилище; 7—напорный бак для мелассы; 8— смеситель; 9— стерилизатор; 10— теплообменник-охладитель; 11 — клари- фикатор: 12 — приточный аппарат питательной среды для дрожжей ЧК; 13 — приточный аппарат питательной среды для двух стадий товарных дрожжей; 14— напорный сборник для воды; 75 — стерилизатор питательной среды в цехе ЧК; 76и 77— малый и большой инокуляторы ЧК; 18 и 19 — дрожжерастильные аппараты ЧК-1 иЧК-2 соответственно; 20— центробежный насос; 21 и 22 — дрожжерастильные аппараты 1-й ста- дии товарных дрожжей Б и 2-й стадии товарных дрожжей В; 23— отборочный аппарат; 24 и 26— сепараторы 1 и II стадий для дрожжей ЧК; 25— промежуточный сборник; 27— сборник концентрата для дрожжей ЧК; 28— сепаратор для товарных дрожжей 1-й стадии Б; 29— сборник концентрата товарных дрожжей 1-й стадии; 30— сепаратор 1-й ступени для товарных дрожжей генерации В; 31 и 33— промежуточные сбор- ники дрожжевого молока I и II ступеней сепарации; 32 и 34— сепараторы II и III ступеней для дрожжей генерации В; 35— сборник дрожже- вого молока дрожжей генерации В; 36— вакуум-фильтр; 37— приемный бункер прессованных дрожжей; 38— фильтр для воздуха; 39— возду- ходувная машина; 40— шестеренные насосы; 41 и 42— сборники-мерники для растворов питательных солей; 43— сборпцк-мерппк серной кислоты; 44— сборник пеногасителя; 45— сборник-мерник растворов ростовых веществ Рис. 6.2. Аппаратурно-технологическая схема получения прессованных и сушеных дрожжей Эркеи-Шахарского дрожжевого завода: 1 — весы для мелассы; 2 и 4— насосы; 3 — рассиропник для мелассы; 5 — теплообменники для мелассы; 6— кларификатор; 7— сборник освет- ленной мелассы (приточный аппарат); 8— предварительный дрожжерастильный аппарат; 9, 10и 77 — дрожжерастильные аппараты соответ- ственно I, II и III стадий маточных дрожжей; 72, 14 и 16— сепараторы соответственно I, II, III ступеней маточных и товарных дрожжей; 13 и 15— промежуточные сборники дрожжевого молока после I и II ступеней сепарации; 77— сборники молока после III ступени сепарации маточ- ных и товарных дрожжей; 18— сборник маточного дрожжевого молока; 19— сборник для кислотной обработки маточных дрожжей перед засе- вом; 20— мерник серной кислоты; 27 — дрожжерастильный аппарат товарных дрожжей; 22—сборник товарного дрожжевого молока; 22- сборник для обработки товарных дрожжей, идущих на сушку, раствором поваренной соли; 24— вакуум-фильтры; 25— шпек; 26— сушилка для дрожжей; 27— циклон; 28— подогреватель воздуха; 29— воздушные компрессоры; 30 — фильтры для воздуха
температуре 2 °C. Перед засевом в товарный аппарат маточные дрожжи подвергают жесткой обработке при pH 1,8—2,0 в течение 30 мин. Товарные дрожжи получают по периодической схеме без отборов среды. Режимы выращивания товарных дрожжей по схеме Эркен-Ша- харского дрожжевого завода приведены в табл. 6.4. Таблица 6.4 Примерные показатели выращивания товарных стадий дрожжей по схеме Эркен-Шахарского дрожжевого завода Показатель Лля получения дрожжей готовых прессо- ванных сушеных Кратность разбавления 8,6 7,8 Длительность выращивания, ч 14 17 Расход воздуха, м3/(ч/м3) 45-60 48-58 pH среды: начальный 4,5 5,2 конечный 4,2 5,5 Температура выращивания, °C 26-30 28-33 Общий выход к массе мелассы, % 96,46 93,8 6.5. ВЫДЕЛЕНИЕ, ПРЕССОВАНИЕ, ФОРМОВАНИЕ И УПАКОВЫВАНИЕ ПРЕССОВАННЫХ ДРОЖЖЕЙ Выделение дрожжей сепарированием. Для получения дрожжей с высокой бродильной активностью и стойкостью необходимо в кратчайший срок выделить их из бражки и промыть. При длитель- ном пребывании дрожжей в бражке снижается зимазно-мальтаз- ная и повышается протеолитическая активность, происходит ав- толиз дрожжей, увеличивается кислотность биомассы и снижается ее подъемная сила. Для выделения дрожжей из бражки и промы- вания водой дрожжевого концентрата используют дрожжевые се- параторы. На дрожжевых заводах применяют различные схемы выделения и промывания дрожжей: промывание дрожжей в одном промывном аппарате с непре- рывной подачей воды и непрерывном отделении в сепараторах промывной воды; промывание дрожжей в двух промывных аппаратах путем пери- одического разбавления дрожжевого концентрата то в одном, то в другом аппарате. Более эффективно двух- или трехступенчатое сепарирование с отделением дрожжей от бражки в отдельных сепараторах. При этом промывание дрожжей водой и отделение промывной воды осуществляют в отдельных сепараторах, а затем ведут сгущение дрожжевого концентрата также в отдельных сепараторах. 162
На небольших дрожжевых заводах процесс выделения дрожжей 143 бражки осуществляют в одном аппарате. При этом общая про- должительность сепарирования составляет 3,5—4 ч: 1 ч на отделе- ние дрожжей от бражки, 1,5—2 ч на промывание и 1 ч на передачу дрожжей из промывного аппарата на прессы. Эта схема сепарирования и выделения дрожжей состоит в том, что после окончания выращивания дрожжи подают в сепараторы, где их выделяют из бражки, а непромытый дрожжевой концентрат направляют в промывной аппарат, разбавляют водой, размешива- ют, после чего насосом подают в сепараторы. Отмытый и отсепа- рированный дрожжевой концентрат вновь попадает в промывной аппарат, где смешивается с частью непромытых дрожжей, одно- временно с этим в аппарат непрерывно подается вода. Дрожжи се- парируют и промывают до тех пор, пока они не будут тщательно промыты. Технологическая схема сепарирования и промывания в двух аппаратах осуществляется быстрее Процесс сепарирования и про- мывания в данном случае складывается из трех операций: отделе- ние дрожжей от бражки, выделение их из первой и второй про- мывной воды. Длительность процесса 3 ч. Ступенчатое сепарирование и промывание дрожжей более эф- фективны. По двухступенчатой схеме разделение дрожжей и бражки, а также выделение дрожжей из промывной воды осуще- ствляются одновременно в разных сепараторах. После отделения дрожжей от бражки, осуществляемого на одной ступени сепарато- ров, дрожжи поступают в сборник непромытого дрожжевого кон- центрата, затем в сборник, где их при помощи эжектора разбавля- ют водой, а далее подают на следующую ступень сепараторов для выделения из промывной воды. Промытые дрожжи поступают в сборники дрожжевого концентрата. В последнее время широко используется трехступенчатая схема сепарирования с двукратным промыванием дрожжей (рис. 6.3). Трехступенчатое сепарирование отличается от двухступенчатого тем, что дрожжи после первого промывания на второй ступени се- параторов поступают на третью ступень, где они дополнительно промываются и сгущаются в отдельных сепараторах до концентра- ции 500—700 г/дм . При работе по этой схеме резко снижается расход воды на про- мывание и уменьшаются потери дрожжей, в связи с тем что вода после третьей ступени сепарирования идет не в канализацию, а возвращается на первое промывание дрожжей. Для сгущения дрожжевого концентрата применяют третий се- паратор, из которого дрожжевой концентрат после охлаждения в теплообменнике попадает в сборник дрожжевого концентрата, ко- торый снабжен устройством для охлаждения концентрата до 2— 4 °C и мешалкой. С целью сохранения исходного качества дрожжей для их про- 163
Рис. 6.3 Трехступенчатая схема выделения дрожжей: 1 — сепараторы первой ступени 2 — дрожжевые сборники; 3 — насосы 4—сепараторы второй ступени, 5 — сепараторы третьей ступени; 6 — теплообменник мывания используют холодную воду, для того чтобы температура дрожжевого концентрата понижалась с 30—32 °C (свойственная бражке) до 22—20 °C в первом промывном аппарате, до 15—13 °C во втором. В третьем аппарате, предназначенном для сгущенного концентрата, дрожжевой концентрат пропускают через теплооб- менник, где ледяная вода, подаваемая из холодильной установки, охлаждает его до 5—8 °C, после чего он поступает в сборник для хранения дрожжевого концентрата, в котором его температуру до- водят до 2—4 °C, что способствует инактивации автолитических процессов. При низкой температуре дрожжи длительное время со- храняют ферментативную активность и при быстром последую- щем формовании и прессовании не нагреваются выше 10 °C даже летом. Получение товарного дрожжевого молока. Дрожжевое молоко является полуфабрикатом дрожжевого производства, однако оно может использоваться близлежащими хлебозаводами взамен прес- сованных дрожжей. Таким образом достигается экономия рабоче- го времени в результате устранения процессов обезвоживания и фасования дрожжей, разворачивания и растворения их на хлебоза- водах (кроме того, экономятся этикетная бумага, тара и транспор- тные расходы). Требования к качеству товарного дрожжевого молока согласно ТУ 18 РФ 395 приведены ниже. Консистенция Небродящая водная суспензия Цвет Сероватый с желтым оттенком Вкус и запах Свойственные дрожжам, запах плесени и дру- гие посторонние запахи и привкусы не допус каются Концентрация дрожжей (в пересчете на прессованные с содержа- нием СВ 25 %), г/дм3, не менее........... 400—450 164
Подъемная сила, мин, не более................................75 Кислотность 100 г осадка на фильтре, полученного под вакуумом в во- ронке Бюхнера и подсушенного до содержания СВ 25 % (в пересче- те на уксусную кислоту), мг, не более.......................120 Кислотность после хранения в течение 72 ч при температуре от 0 до 10 °C (в пересчете на уксусную кислоту) мг, не более.....320 Прессование дрожжей. Прессованием принято называть выде- ление дрожжей из суспензии под давлением (на фильтрах-прес- сах) или под вакуумом (на вакуум-фильтрах). Подача дрожжевого молока в фильтр-пресс осуществляется при помощи вихревого насоса, обеспечивающего равномерное, без толчков наполнение пресса. Дрожжевой концентрат движется по каналу, расположенному в центре фильтра-пресса или в специ- альных карманах, из которых он через соответствующие ответвле- ния поступает в полые рамы. Прессование длится от 30 мин до 2 ч и более. По окончании прессования открывают фильтр-пресс вывинчиванием зажимного винта, после чего раздвигают плиты и рамы Дрожжи, отложив- шиеся на ткани в виде плотной лепешки, падают в чисто вымы- тый металлический ящик, подставляемый под пресс, а остатки дрожжей удаляют с ткани металлическими лопаточками. Ящики размешают под фильтром-прессом на всю его длину, причем они должны свободно передвигаться на роликах по гладкому полу прессовочного цеха. Производительность фильтров-прессов, применяемых на дрожжевых заводах, от 200 до 1200 кг за одно наполнение. На крупных предприятиях дрожжи выпрессовывают на бара- банных вакуум-фильтрах. Процесс может осуществляться непре- рывно Производительность вакуум-фильтров 1000—1200 кг/ч. Ба- рабан вакуум-фильтра, обтянутый фильтрующей тканью, враща- ется на горизонтальной оси и нижней частью погружается в сбор- ник с дрожжевым концентратом. Фильтрат отсасывается вакуум-насосом, а на фильтрующей ткани после отсоса остается плотный слой дрожжей, который промывают водой и непрерыв- но счищают с поверхности барабана специальным ножом из не- ржавеющей стали. Необходимым условием для нормальной рабо- ты вакуум-фильтра является поддержание постоянной глубины вакуума в пределах 60—90 %. Дрожжи, обезвоженные на фильтре, содержат 25—29 % сухих веществ. Важным фактором при фильтровании является температура дрожжевого концентрата и промывной воды, которая не должна превышать 12 °C. Обезвоженные дрожжи из вакуум-фильтра или из-под фильт- ра-пресса поступают либо в сушильное отделение, либо в бункера тестомесителя. Бункер-тестомеситель предназначен для создания запаса дрож- жей равномерной консистенции и непрерывной подачи их в фасо- 165
вечный автомат, тем самым обеспечивая высокую производитель- ность автомата. Из бункеров-тестомесителей дрожжи поступают в приемные бункера автоматов для формования, резки и упаковывания. Формование и упаковывание дрожжей. Прессованные дрожжи поступают к потребителю в виде брусков массой 1000, 500, 100 и 50 г. Дрожжи фасуют из прессованной массы, подготовленной в месильных аппаратах. Для получения прессованной массы дрожжей требуемой кон- систенции ее приходится иногда увлажнять, добавляя некоторое количество воды (до 10 % к массе выпрессованных дрожжей), а для придания эластичности при перемешивании в дрожжевую массу добавляют 0,1 % растительного масла. На зарубежных пред- приятиях на этой стадии к дрожжам добавляют различные веще- ства, улучшающие консистенцию и цвет готовой продукции: на- полнители и пластификаторы (лецитин, эфиры жирных кислот). После перемешивания дрожжи фасуют в бруски определенной массы и на упаковочном автомате заворачивают в парафиниро- ванную бумагу. Упакованные брикеты укладывают в картонные короба или ящики и направляют в холодильную камеру. Дрожжи — быстро портящийся продукт, поэтому сразу же пос- ле фасования и упаковывания их охлаждают до 2—3 °C и хранят в холодильной камере при температуре 0—4 °C. Транспортирование дрожжей на большие расстояния осуществляется в изотермичес- ких вагонах или автомашинах-рефрижераторах при температуре 0-4 °C. Требования к качеству прессованных дрожжей. Качество прессо- ванных дрожжей согласно ГОСТ 171 должно удовлетворять следу- ющим требованиям. Цвет Консистенция Запах Сероватый с желтоватым оттенком, на поверхности бруска не должно быть темных пятен Плотная, дрожжи должны легко ломаться и не мазаться Свойственный прессованным дрожжам, запах плесени и другие посторонние запахи не допускаются Вкус Свойственный прессованным дрожжам Влажность, %, не более.........................................75 Подъемная сила, мин, не более..................................75 Кислотность 100 г дрожжей в день выработки заводом (в пересчете на уксусную кислоту), мг, не более............................120 Кислотность 100 г дрожжей после 12сут хранения или транспортиро- вания при температуре 0—4 °C (в пересчете на уксусную кислоту), мг, не более..................................................360 Стойкость дрожжей при температуре хранения 35 °C, ч, не менее..48 6.6. СУШКА ДРОЖЖЕЙ Сушеные дрожжи выгодно отличаются от прессованных спо- собностью длительно сохраняться, в том случае если они высуше- ны до остаточной влажности 5—8 % и при этом в них сохранены 166
исходные ферментные свойства. В герметичной упаковке они мо- гут сохранять активность в течение нескольких лет при хранении при комнатной температуре. Сохранность сушеных дрожжей обусловлена качеством прессованных дрожжей, режимом сушки и герметической упаковкой. Прессованные дрожжи, предназначенные для сушки, не долж- ны содержать посторонней микрофлоры, обладать пониженной активностью протеолитических ферментов. Для выращивания дрожжей, идущих на сушку, используют термоустойчивые расы дрожжей 4, 14, 262 и др. Применяют режимы, тормозящие фер- ментативную активность дрожжей с инактивацией протеолити- ческих ферментов и снижающие выход дрожжей на 6—9 %. Кон- систенция прессованных дрожжей должна быть плотной, влаж- ность — 70—75 %. Прессованные дрожжи, предназначенные для сушки, следует выращивать по особой технологии, обеспечивающей следующие показатели их качества; Подъемная сила, мин, не более 55—60 Стойкость при 35 °C, ч, не менее 72 Осмоустойчивость, мин, не более 10,5 Выживаемость клеток при высушивании, %, не менее 70 Влажность, %, не более 70 Содержание, %, не более: азота 1,6 трегалозы 1,75 Влага в дрожжах содержится как внутри, так и вне клеток. Внеклеточная влага составляет 15—28 %. По скорости обезвожи- вания дрожжей процесс сушки можно разделить на три периода; I — удаление внеклеточной влаги осуществляется с большой скоростью до влажности материала 52—53 %. При быстрой влаго- отдаче подъемная сила дрожжей не изменяется и отмирания кле- ток не происходит, если температура биомассы не превышает 38 °C; II — удаление свободной внутриклеточной влаги требует боль- ших затрат времени, скорость сушки при этом непрерывно умень- шается до влажности дрожжей 20—16 %; III — частичное удаление связанной влаги требует еще больше- го количества времени, скорость сушки изменяется незначитель- но. И наконец, в случае достижения равновесной влажности вла- гоотдача приостанавливается. Для ускорения процесса удаления влаги дрожжи измельчают в формовочных машинах либо в гидравлических прессах и подают на сушку в виде гранул или вермишели диаметром около 1 мм. Равномерному высушиванию прессованных дрожжей способ- ствует их перемешивание. Поэтому общепризнанным является использование сушильных устройств, обеспечивающих постоян- ное соприкосновение высушиваемых дрожжей с сушильным аген- 167
том — воздухом. В нагретом воздухе лучше высушивается взвесь дрожжей, чем неподвижные пласты прессованных дрожжей, из- мельченные в вермишель, через которые проходит воздух. При повышении температуры сушильного агента ускоряется высушивание дрожжей, но одновременно может происходить пе- регрев дрожжевой массы. Поэтому по мере обезвоживания дрож- жей температуру сушильного агента рекомендуется снижать с SO- TO °C в первом периоде до 55—50 °C во втором и до 45—40 °C в тре- тьем, чтобы температура дрожжевой массы не нагревалась выше 38 °C. На дрожжевых заводах используют сушилки разных конструк- ций: на ленточных, шахтных обезвоживание дрожжей осуществ- ляется в стационарном слое с периодическим перемешиванием высушиваемого материала в момент его пересыпания с полки на полку; на барабанных — гранулированные прессованные дрожжи непрерывно пересыпаются на полках вращающегося барабана. Сушка дрожжей значительно ускоряется в вибрационных, флюи- дизационных сушилках, где дрожжи высушиваются нагретым воз- духом во взвешенном слое Сушилки могут работать при атмосферном давлении по одно- ступенчатой либо по двухступенчатой схеме, при которой процесс ведут сначала при атмосферном давлении, а затем при вакууме. Качество дрожжей, полученных по второй схеме, выше. Качество сушеных хлебопекарных дрожжей должно соответ- ствовать ОСТ 18—193. Высший сорт I сорт Цвет Светло-желтый или серо-коричневый Запах и вкус Свойственные сушеным дрожжам Влажность, %, не более 8,0 10,0 Подъемная сила, мин, не более 70,0 90,0 Сохранность со дня выработки, мес, не менее 12 5 Сушеные хлебопекарные дрожжи выпускают в виде вермише- ли, гранул, мелких зерен, кусочков, порошка или крупы. Порош- кообразных частиц допускается не более 25 %. Пиво — игристый, освежающий напиток, продукт законченно-
Глава 7 ТЕХНОЛОГИЯ ПИВА го спиртового брожения, изготовленный из пивоваренного ячмен- ного солода с применением хмеля. Вследствие насыщенности диоксидом углерода и содержания небольшого количества этанола пиво не только утоляет жажду, но и повышает общий тонус организма. Являясь хорошим эмульгато- ром пиши, оно способствует более правильному обмену веществ и повышению усвояемости пиши. Обладая определенной питатель- ной ценностью и приятным характерным вкусом, пиво как напи- ток имеет весьма большое распространение. Основу технологических процессов производства пива состав- ляют биохимические превращения веществ в живом организме, происходящие под влиянием ферментов, и физико-химические процессы взаимодействия этих веществ под влиянием условий внешней среды 7.1. АППАРАТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПОЛУЧЕНИЯ ПИВА Технологический процесс производства пива состоит из следу- ющих стадий: очистки и дробления солода и несоложеных мате- риалов, получения пивного сусла (приготовление и фильтрование затора, кипячение сусла с хмелем, осветление и охлаждение сус- ла), сбраживания пивного сусла дрожжами, дображивания и со- зревания пива, осветления и розлива пива (рис. 7.1). 7.2. ПОЛУЧЕНИЕ СУСЛА Цель процесса приготовления пивного сусла — получение вод- ного раствора ценных сухих веществ зернового сырья и хмеля в соотношении, определяемом сортом пива и жизнедеятельностью Дрожжей, при минимальных потерях и затратах. Для варки сусла используют варочные агрегаты, состоящие из заторных, суслова- Рочных котлов и фильтрационных чанов. 169

7.2.1. ОЧИСТКА И ДРОБЛЕНИЕ СОЛОДА И НЕСОЛОЖЕНЫХ МАТЕРИАЛОВ Сухой солод после хранения при поступлении в варочный цех очищают от металломагнитных примесей на магнитном сепарато- ре, а от пыли и остатков ростков — на полировочной машине. Ячмень, используемый в качестве несоложеного сырья, очища- ют так же, как в солодовенном производстве. Наиболее эффектив- но использовать ячмень 1-го и 2-го сортов. Дробление солода является важной технологической операци- ей, влияющей в дальнейшем на процесс приготовления сусла, в том числе на продолжительность осахаривания и фильтрования, а также на выход экстракта. Составные вещества солода, находящие- ся в раздробленном состоянии, более тесно соприкасаются с во- дой, что облегчает и ускоряет их растворение. Зерно ячменя во время соложения растворяется неравномерно, потому и структура эндосперма (мучнистого тела) зерна солода неодинакова. В зародышевой части структура эндосперма рыхлая, и он легко дробится, а кончики зерна солода, обычно не подверга- ющиеся ферментативной обработке, трудно измельчаются. Дробленый солод состоит из частиц различной величины, ко- торые по размеру и внешнему виду делятся на шелуху, крупную, мелкую крупку и муку. Эти фракции дробленого солода отличают- ся друг от друга по химическому составу и при затирании ведут себя различно. Степень дробления солода имеет большое значе- ние для затирания и дальнейшего протекания технологического процесса приготовления сусла, выщелачивания дробины и фильт- рования затора. При размоле зерна оболочка должна быть по возможности со- хранена, так как она служит фильтрующим слоем при отделении сусла от дробины. Она состоит в основном из целлюлозы, в кото- Рис. 7.1. Схема производства пива: /—приемный бункер; 2 и 8— нории; 3, 6 и /2 — автоматические весы; 4 и 9— шнеки; 5 — си- лос; 7—ленточный транспортер; 10—бункера суточного запаса; // —магнитные течки; 13 — полировочная машина; 14 — солододробилка; 15— вальцовый станок; /6—бункера; 17— за- торные аппараты; 18— фильтрационный аппарат; 19, 21, 24, 26, 28, 32, 34, 36, 65 и 67— насо- сы; 20— сборник промывных вод; 22 — сусловарочный аппарат; 23 — хмелеотделитель; 25 — емкость для хмелевого экстракта; 27— гидроциклонный аппарат; 29 и Ji1—диатомитовые фильтры; 30 и 37— пластинчатые теплообменники; 31 — бродильный танк; 33 — танки для Дображивания; 35 — сепаратор; 39— карбонизатор; 40— сборник готового пива; 41 — цилинд- роконический бродильный танк; 42— стерилизатор; 43—44 и 45— малые и большой бродиль- ные цилиндры; 46 — промежуточный вакуум-сборник; 47— вакуум-сборники; 48— вакуум-на- сосы; 49— сборники горячей воды; 50— световой экран; 51 — бутыломоечная машина; 52 и 55— бракеражные автоматы; 53 — разливочный автомат; 54— укупорочный автомат; 56— эти- кетировочный автомат; 57—сборник грязного брака; 58— сборник исправимого брака; 59— автомат для выемки бутылок; 60— пакеторасформируюшая машина; 61 и 64—автопогрузчи- ки; 62— автомат укладки бутылок; 63 — пакетоформирующая машина; 66— емкость шля мою- щего раствора; 68— подъемник; 69— автоцистерна; 70— мерник 171
рой содержатся разнообразные органические и неорганические вешества, легко переходящие в раствор и ухудшающие вкусовые качества пива. Чем тоньше помол, тем полнее извлекаются экст- рактивные вешества. Однако при очень тонком помоле происхо- дит значительное измельчение оболочки зерен, что затрудняет фильтрование и извлечение экстрактивных веществ из дробины. Для хорошо растворенного солода рекомендуется следующий со- став помола (%): шелуха — 15—18, крупная крупка — 18—22, мел- кая крупка — 30—35 и мука — 25—35. При переработке солода не- достаточного разрыхления рекомендуется более тонкий помол (%): шелуха — 19—20, крупная крупка — 10—11. мелкая крупка — 34—35, мука — 35. При фильтровании заторов через фильтр-пресс содержание муки в помоле можно повысить до 45 %. Весьма целесообразно дробить увлажненный солод, так как это позволяет сохранить оболочку зерна, а эндосперм измельчить бо- лее тонко. При этом следует коррелировать режимы замочки со- лода в зависимости от его качества. Солод хорошего растворения необходимо замачивать в течение 25—30 мин в воде температурой 20—35 °C, а солод плохого растворения — 10—15 мин в воде при 50—55 °C. Использование дробилок для увлажненного солода по- зволяет устранить потери на распыл, характерные для дробления сухого солода, увеличить выход экстракта на 2,5—3,0 % и сокра- тить продолжительность фильтрования затора на 20—25 %. Солод дробят на вальцовых солододробилках, а ячмень — на мельничных вальцовых станках. К помолу ячменя предъявляются те же требо- вания, что и к помолу солода. Кроме ячменя в качестве несоложе- ных материалов используют рис, обезжиренную кукурузную муку и тритикале, наиболее редко — пшеницу. 7.2.2. ЗАТИРАНИЕ Основной задачей затирания является перевод сухих веществ солода и несоложеных материалов в растворимое состояние под действием ферментов солода и применяемых ферментных препа- ратов. Процесс смешивания дробленых зернопродуктов с водой называется затиранием, а полученная смесь — затором. В солоде и несоложеных зерновых материалах содержание во- дорастворимых веществ составляет 10—15 %. Большая часть цен- ных сухих веществ, представленных в основном крахмалом и бел- ком, находится в нерастворенном состоянии. Для перевода в ра- створимое состояние их в процессе затирания подвергают фер- ментативному гидролизу. Процессы, происходящие при затирании. Солод как основное сырье для сусла и пива является не только источником получения экстрактивных веществ, но и источником ферментов, под дей- ствием которых нерастворимые вещества самого солода и несоло- 172
женых материалов переходят в раствор. В солоде хорошего каче- ства активность ферментов высокая, позволяющая провести необ- ходимые биохимические изменения в заторе при использовании до 15% несоложеного сырья. При большем расходе несоложеных материалов применяют ферментные препараты, содержащие ами- лолитические, протеолитические и цитолитические ферменты. Основным процессом затирания является гидролиз крахмала, расщепляющийся амилолитическими ферментами до сбраживае- мых сахаров (глюкозы, мальтозы) и декстринов различной моле- кулярной массы, обеспечивающих полноту вкуса пива. На ско- рость ферментативных реакций оказывают влияние температура, pH и концентрация затора. С повышением температуры затора до оптимального предела ферментативный гидролиз крахмала уско- ряется. Дальнейшее повышение температуры вызывает инактива- цию ферментов и замедляет процесс. Влияние температуры на со- отношение продуктов гидролиза крахмала объясняется различным температурным оптимумом и разной термоустойчивостью отдель- ных амилаз. В зависимости от качества солода и сорта приготовля- емого пива требуемый гидролиз крахмала обеспечивается выдерж- кой затора при следующих температурных паузах: мальтозной при 61—63 °C (оптимальной для действия р-амилазы солода и глюко- амилазы ферментных препаратов), благоприятной для накопле- ния сбраживаемых сахаров; осахаривания при 70—72 °C (опти- мальной для действия а-амилазы), обеспечивающей расщепление крахмала до декстринов (при этом р-амилаза и глюкоамилаза инактивируются); общего осахаривания при 75—77 °C, являющей- ся предельной температурой, при которой сохраняется активность а-амилазы (при этой температуре затор выдерживается до полного осахаривания крахмала, определяемого по йодной пробе). На активность ферментов значительно влияет также pH затора. Оптимум pH для действия амилаз и других ферментов солода ле- жит в пределах 5,5—5,7. Величина pH затора зависит от перераба- тываемого зернового сырья и применяемой воды. Для пивоваре- ния оптимальной является вода общей жесткостью 0,7— 1,1 мгэкв/дм3. Для создания оптимального значения pH в затор добавляют молочную кислоту или гипс. Более эффективно под- вергать воду специальной подготовке. На действие ферментов и экстрагирование растворимых ве- ществ зернового сырья влияет гидромодуль затирания. С увеличе- нием концентрации затора скорость ферментативных реакций за- медляется, что заметно при увеличении концентрации свыше 16%. Поэтому обычно при затирании используют соотношение Дробленых зернопродуктов к воде 1 :4, чтобы концентрация пер- вого сусла не превышала 16 %. Углеводный состав сусла принято характеризовать отношением сахара (основную часть которого составляет мальтоза) к несахару (Разница между содержанием экстрактивных веществ сусла и са- 173
харом). В зависимости от сорта пива это отношение различно. На- пример, для сусла с экстрактивностью 11 % отношение сахара к несахару для большинства сортов светлого пива составляет I : (0,33—0,43); для темных сортов пива с экстрактивностью сусла 14 % - 1 : (0,43-0,53). Очень важным для пивоварения является гидролитическое рас- щепление белков под действием протеолитических ферментов. Превращение белковых веществ и их состав при затирании имеют большое значение для качества пива. Они влияют на пенообразо- вание, стойкость и вкусовые качества пива. А такие продукты рас- пада белков, как пептиды и аминокислоты, необходимы для пита- ния и размножения дрожжей. Основной процесс расщепления белков протекает при солодо- ращении, а при затирании процесс распада их под влиянием про- теолитических ферментов проходит не так глубоко. Главными продуктами расщепления белков являются растворимые в воде белки, пептоны и полипептиды; аминокислот образуется сравни- тельно мало. При затирании в сусло практически переходит около трети всех азотных веществ солода, причем около половины этого коли- чества было переведено в растворимое состояние во время солодо- ращения. Белки, которые не подверглись превращениям при со- лодоращении и затирании, переходят в дробину. Наибольшую ак- тивность при затирании проявляют протеиназы, гидролизуя белки зерна до сложных полипептидов. Дальнейший гидролиз полипеп- тидов до пептидов и аминокислот осуществляют полипептидазы, которые значительно инактивируются при сушке солода. Накоп- ление тех или иных продуктов гидролиза белков зависит от темпе- ратуры затора. Для накопления аминокислот и низкомолекуляр- ных пептидов наиболее благоприятной является температура 45— 52 °C (белковая пауза). При температуре 61—63 °C (мальтозная пауза) происходит гид- ролиз белков с образованием полипептидов и высокомолекуляр- ных пептидов, способствующих пенообразованию и созданию полноты вкуса пива. Азотные вещества сусла принято разделять на стойкорастворимые и нестойкорастворимые (коагулируемые). Стойкорастворимые азотные вещества во время кипячения не вы- деляются из сусла. К ним относятся аминокислоты, пептиды и часть растворимых белков. Настоящие белки при кипячении из растворов коагулируют, их называют нестойкорастворимыми ве- ществами. Для нормального брожения сусла и получения стойкого с хо- рошим ценообразованием пива необходимо, чтобы в 100 см3 сус- ла с экстрактивностью 11 — 12% содержалось 75—100 мг общего азота, из них 25—30 мг аминного азота. По Лундину, соотноше- ние фракций А : В : С должно составлять в сусле 3:2: 4,5; в пиве 1 : 1,5: 6,5. 174
При затирании происходит также гидролиз гемицеллюлоз и гуми-вегцеств зернопродуктов пол действием цитолитических ферментов солода с образованием глюкозы, ксилозы, арабинозы и низкомолекулярных полисахаридов. В результате цитолитических процессов снижается вязкость сусла, что улучшает фильтрование затора и увеличивает содержание углеводов в сусле. Под действием фермента фитазы в солоде происходит расщеп- ление фосфорорганических соединений с накоплением в сусле неорганических фосфатов и инозита, которые необходимы для питания дрожжей и стимулирования их роста и размножения. Оптимальные условия действия цитолитических и фосфороли- тических ферментов совпадают с белковой паузой (45—52 °C). Способы и режимы затирания. Затор готовят двумя способами: настойным (инфузионным) и отварочным (декокционным). При настойном способе сухой дробленый солод смешивают с водой требуемой температуры, в дальнейшем затор медленно со скорос- тью 1 °С/мин подогревают с выдержкой белковой и мальтозной пауз, пауз осахаривания и общего осахаривания. Длительность пауз определяется качеством солода и сортом приготовляемого пива и колеблется в пределах 20—30 мин. Настойный способ при- меняется при использовании только хорошо растворенного соло- да с высокой ферментативной активностью, позволяет сократить продолжительность затирания и снизить энергозатраты. Отварочные способы характеризуются тем, что часть затора (называемая отваркой) подвергается кипячению с целью клейсте- ризации крахмала, что облегчает воздействие на него ферментов и увеличивает выход экстракта. По количеству отварок различают одно-, двух- и трехотварочный способы. Наиболее распространен- ными в промышленности являются одно- и двухотварочный спо- собы. При использовании несоложеного сырья применяют способы совместного затирания с солодом или предварительной раздель- ной подготовки его с последующим соединением с солодовым за- тором, а также применяют очищенные отечественные и зарубеж- ные комплексные ферментные препараты двух типов с различным соотношением бактериальных и грибных ферментов, содержащие термостойкую ct-амилазу, р-глюканазу, глюкоамилазу и протеазу. Дозировка их зависит от количества несоложеного сырья, каче- ства солода и активности ферментных препаратов. Использование препаратов обеспечивает ускорение технологических процессов, повышает выход экстракта, качество и стойкость готового пива. Технологические режимы затирания отварочных способов раз- нообразны и зависят от состава и качества используемого зерново- го сырья. Одноотварочный способ. Для затирания необходи- мо четырехкратное количество воды к массе затираемых зерно- продуктов. Температура воды должна быть такой, чтобы после 175
спуска дробленого солода в заторный котел температура затора была 50—52 °C. В заторный аппарат предварительно набирают около 1/2 всего количества воды, необходимого для затирания, включают мешал- ку и через предзаторник спускают дробленый солод с водой. Пос- ле тщательного перемешивания выдерживают белковую паузу в течение 20—30 мин, после чего в заторный котел декантируют жидкую часть затора, а густую (отварку) подогревают до 61—63 °C и выдерживают в течение 15—20 мин. Далее температура медлен- но повышается до 70—72 °C. В это время отварка осахаривается в течение 20—30 мин. Затем ее нагревают до кипения и кипятят 20— 30 мин. Несоложеное сырье сначала затирают с 15—20 % солода и частью ферментного препарата. Эта часть затора является отвар- ной. Ее выдерживают 15—20 мин при 50—55 °C, затем подогрева- ют до 70—72 °C и осахаривают 20—30 мин, после чего доводят до кипения и кипятят 20—30 мин. Перед началом кипячения отварки готовится основной затор из оставшегося солода и ферментных препаратов. Готовую отварку соединяют с солодовым затором и далее процесс затирания ведут так же, как описано выше. После этого отварку медленно возвращают в жидкую часть за- тора, так чтобы температура объединенного затора была 61 —63 °C, и проводят мальтозную паузу 15—20 мин. Далее затор нагревают до 70—72 °C и выдерживают до полного осахаривания по йодной пробе (15—30 мин). Затем после повышения температуры до 75— 77 °C затор передают на фильтрование. Этот способ наиболее рациональный. В некипяченой части за- тора сохраняются ферменты, которые действуют на всю густую, подвергавшуюся кипячению, часть затора. По сравнению с другими этот метод имеет ряд преимуществ: возможность использования благоприятных условий для расщеп- ления белков и крахмала, предварительную клейстеризацию всего крахмала сырья и наиболее эффективное применение ферментов, в результате чего увеличивается выход экстракта. Этим методом можно перерабатывать солод разнообразного ка- чества, даже недостаточно растворенный. Двухотварочный способ. Этот способ позволяет перерабатывать солод различного качества, так как легко коррели- ровать технологический режим. В заторном аппарате готовят за- тор, выдерживают белковую паузу 15—30 мин при 40—45 °C. Далее в отварочный котел подают 1/3—1/2 затора (густая часть) —пер- вую отварку. Ее медленно подогревают до 61—63 °C, выдерживают 20—30 мин, затем осахаривают 15—30 мин при 70—72 °C, после чего доводят до кипения и кипятят в течение 20—30 мин. Первую отварку медленно возвращают в основной затор, чтобы повысить температуру до 61—63 °C, и выдерживают мальтозную паузу 15—20 мин. Затем отбирают вторую отварку в количестве 1/3 густой заторной массы, которую нагревают до 70—72 °C, выдержи- 176
вают 15—20 мин, нагревают до кипения и кипятят 7—10 мин. Го- товую отварку медленно перекачивают к основному затору. При этом температура затора поднимается до 70—72 °C и проводится осахаривание, контролируемое по йодной пробе (20—30 мин). В случае необходимости (при использовании солодов пони- женного качества) сроки выдержки при температуре осахаривания могут быть увеличены до полного осахаривания затора, но про- должительность выдержки не должна превышать 1 ч. После полного осахаривания затор подогревают до 75—77 °C и передают на фильтрование. При всех способах затирания для интенсификации тепло-, мас- сообменных и ферментативных процессов во время подогрева за- торной массы в аппаратах работают мешалки с большой частотой вращения, при выдержке при различных температурных паузах — с небольшой частотой вращения. Подкисление затора. Способствует переходу экстрактивных ве- ществ зернового сырья в сусло и улучшает вкусовые свойства пива. Это мероприятие можно проводить при всех существующих способах затирания особенно на заводах, работающих на жесткой воде. Затирание преследует цель —снизить pH затора до оптималь- ной величины, равной 5,3—5,5, при которой ферментативные процессы проходят более активно, чем при более высоком pH. Концентрация водородных ионов влияет на процессы затира- ния и коагуляцию белков при кипячении. Она способствует освет- лению сусла и пива, увеличивает выход экстракта. Подкисление затора имеет большое значение при получении светлых сортов пива, так как сусло после подкисления становится светлее. Наиболее распространенный и простой способ — подкисление затора молочной кислотой из расчета 0,06—0,09 % к затираемому сырью в пересчете на 100%-ную кислоту. Отмеренное количество молочной кислоты разбавляют двумя- тремя частями воды. Разбавленную кислоту медленно вливают в заторный котел при работающей мешалке. Периодически опреде- ляют pH затора и в зависимости от результатов изменяют дозиров- ку кислоты. Добавление молочной кислоты повышает активность ферментов, увеличивает выход экстракта, уменьшает извлечение горьких и ароматических веществ оболочки, улучшает коагуляцию белков при кипячении, повышает качество пива. Подкислить затор можно также добавлением сульфата каль- ция — гипса (гипсование затора). Сульфат кальция взаимодей- ствует с карбонатами и щелочными фосфатами и pH затора сдви- гается в кислую сторону. Расход гипса определяют, исходя из со- держания гидрокарбонатов в воде, из расчета на 1 г СаО 3,07 г CaSO4-2H2O. Рассчитанное таким образом количество гипса засыпают в заторный котел в начале затирания. Гипсование за- 177
тора повышает выход экстракта и улучшает качество сусла и пива. Особенности переработки карамельного солода. При получении темных сортов пива при затирании применяют карамельный со- лод С целью максимального использования красящих веществ этого солода и создания оптимальных условий для действия фер- ментов светлого солода Украинским государственным универси- тетом пищевых технологий предложена усовершенствованная тех- нология затирания, отличительной чертой которой является от- дельная водно-тепловая обработка карамельного солода при тем- пературе 80—90 °C, гидромодуле 7—10 в течение 30 мин и постоянном перемешивании (рис. 7.2). Продолжительность такой обработки можно сократить в 2 раза путем интенсификации процесса перемешивания пульсирующи- ми воздействиями упругих колебаний. Для обработки можно применять как заводские помолы (раз- меры частиц 900—1100 мкм), так и тонкие помолы (300—600 мкм) карамельного солода. Доля тонкоизмельченного карамельного со- лода в обшей засыпи зернопродуктов при использовании фильт- рационного аппарата не должна превышать 20—25 % Обработанный в таких условиях затор охлаждают водой темпе- ратурой до 47—50 °C и для предотвращения инактивации осахари- вающих ферментов в него вводят гипс в таком количестве, чтобы создать избыток ионов — 5—10 мг-экв/дм3, а для улучшения азот- ного состава сусла — осадочные дрожжи (3—5 % от засыпи зерно- продуктов). Затирание общего затора осуществляют настой ным или отва- Рис. 7.2. Схема усовершенствованной технологии затирания для темных сортов пива 178
рочным способом до полного осахаривания. Готовый затор затем передают на фильтрование. Усовершенствованный способ приготовления сусла темных сортов пива по сравнению с существующими позволяет увеличить выход красящих веществ на 10—15%, улучшить азотный состав сусла, заменить в среднем 20 % карамельного солода светлым со- лодом, обогатить вкус и аромат пива. Использование настойного способа затирания дает возможность интенсифицировать процесс минимум в 1,3 раза 7.2.3. ФИЛЬТРОВАНИЕ ЗАТОРА Фильтрованием называется процесс разделения неоднородных систем с твердой дисперсной фазой с помощью пористой перего- родки, пропускающей жидкость и удерживающей взвешенные в ней частицы. В пивоварении затор при фильтровании разделяют на сусло и твердую фазу (дробину). Фильтрование проводят в фильтрационном чане или в фильтре-прессе через твердую фазу затора Для формирования фильтрующего слоя в фильтрационном чане служит ситчатое дно, а в фильтре-прессе — хлопчатобумаж- ная ткань. Процесс фильтрования затора подразделяют на две ста- дии: фильтрование первого сусла, т. е. сусла, получаемого при фильтровании затора, и промывание дробины водой с целью из- влечения экстрактивных веществ. Скорость фильтрования зави- сит от структуры и толщины осадка, качества и степени дробления солода и несоложеных материалов, давления при фильтровании и вязкости сусла. Размеры пор фильтрующего материала, в частности дробины, в начале фильтрования обычно больше размера взвешенных частиц, находящихся в заторе. Эти частицы проходят через фильтрующий материал, и первые порции фильтрата получаются мутными. В дальнейшем на фильтрующем материале образуется слой взве- шенных частиц, через которые фильтруется затор, и фильтрат по- лучается прозрачным. Фильтрационный чан представляет собой цилиндрический со- суд с плоским дном. На расстоянии 8—12 мм от основного дна расположено второе ситчатое дно, которое служит основанием Для дробины. От нижнего дна фильтрационного чана отходит ряд труб, по которым отводится сусло. На концах этих труб находятся краны для регулирования скорости фильтрования. Концы труб из Днища фильтрационного чана выводятся к сборному корыту. Кра- ны вместе с корытом называются фильтрационной батареей. Для полного извлечения экстрактивных веществ из дробины внутри пана находятся разрыхлительный механизм и сегнерово колесо. Фильтрационный чан снабжен регулятором давления, который позволяет регулировать скорость фильтрования и указывает вели- 179
чину разности уровней жидкости в фильтрационном чане и ре- зервуаре регулятора. Во избежание охлаждения затора при филь- тровании боковые стенки фильтрационного чана покрыты изо- ляцией. Подготовку чана к фильтрованию производят следующим об- разом. В чистый чан укладывают сита и подситовое пространство заполняют водой температурой 75—78 °C для вытеснения воздуха и создания сплошного слоя жидкости под ситчатым дном. Ситча- тое дно покрывают водой на 10—15 мм. Далее включают разрых- лительный механизм и затор при непрерывном перемешивании перекачивают в фильтрационный чан со скоростью 2—4 м/с. Что- бы равномерно распределить затор по поверхности ситчатого дна, в чане предусмотрен специальный распределитель. Во время перекачки затора, чтобы расположить дробину равно- мерно по всей поверхности сит фильтрационного чана, разрыхли- тельный механизм находится в движении, затем его поднимают, делают несколько оборотов для выравнивания поверхности дро- бины и выдвигают по вертикали из слоя дробины полностью. За- тор оставляют в покое на 25—30 мин для осаждения дробины. При хорошем оседании дробины поверхность сусла выглядит как мра- морная. Это свидетельствует о хорошем распределении отдельных слоев затора. После того как дробина осела, сливают мутное сусло. Для этого ио одному или попарно открывают и закрывают краны фильтрационной батареи, чтобы вызвать вихревое движение жид- кости под ситами и удалить попавшие в подситовое пространство мелкие частицы затора. Воду и мутное сусло сливают в сборник и насосом перекачивают обратно в фильтрационный чан. Так по- вторяют до тех пор, пока из кранов не потечет прозрачное сусло, которое направляют в сусловарочный котел. При фильтровании сусла и промывке дробины поддерживают температуру 75—78 °C, для того чтобы сохранить ct-амилазу, которая расщепляет остатки неосахаренного крахмала, вымываемого из дробины. Скорость фильтрования сусла в фильтрационном чане зависит от качества затора, живого сечения сит и высоты слоя дробины, который не должен превышать 30—35 см. Чем лучше растворен солод и лучше сохранена оболочка при дроблении, тем рыхлее ле- жит слой дробины и быстрее проходит фильтрование. Следует следить, чтобы затор не охлаждался ниже 75 °C. Фильтрование первого сусла продолжается 1 —1,5 ч; иногда для ускорения процесса при хорошо проведенном осахаривании пер- вое сусло декантируют в сусловарочный котел, при этом содержа- ние твердой фазы в сусле не должно превышать 250 мг/дм3. После фильтрования первого сусла в дробине остается еще 30 % сусла; для его извлечения дробину промывают водой, приме- няя при этом ороситель и разрыхлитель. Ножи разрыхлителя раз- резают дробину, а вода, поступающая из оросителя, равномерно растекается по дробине и вымывает оставшийся в ней экстракт. В 180
случае замедления фильтрования дробину поднимают, для чего закрывают фильтрационные краны, а снизу через отводные труб- ки в фильтрационный чан подают воду температурой 75 °C. Воду подают при работе разрыхлителя до появления ее над поверхнос- тью дробины. При фильтровании необходимо следить за тем, что- бы вода покрывала дробину и температура ее была не ниже 75 °C и не выше 80 °C. Дробину промывают непрерывно или периодически. В первом случае воду подают равномерно в течение всего процесса фильт- рования. Во втором случае воду сливают в чан следующим обра- зом. После фильтрования первого сусла в чан набирают воду тем- пературой 75 °C, хорошо размешивают дробину и начинают филь- трование. Когда все сусло пройдет, в чан вновь набирают воду, дробину перемешивают и продолжают фильтрование. Второе сус- ло (первая промывная вода) отфильтровывают с дробины досуха и опять дробину заливают водой. Дробину промывают 2—3 раза. При фильтровании необходимо поддерживать постоянный уро- вень воды. Дробину прекращают промывать при содержании су- хих веществ в промывной воде 0,5—0,6 %, но если промывные воды можно использовать на затирание следующего затора, дро- бину прекращают промывать раньше, при содержании сухих ве- ществ в промывных водах около 3 %. В этом случае промывные воды собирают в отдельную емкость с подогревом (чаще в затор- ный котел), где во избежание закисления поддерживают темпера- туру около 80 °C. Дробину до минимального содержания экстракта практически не промывают, так как это вызывает большой расход топлива на выпаривание воды при кипячении сусла. После спуска последней промывной воды дробину из фильтрационного чана выгружают в специальный бункер, а сита и чан тщательно моют и готовят для фильтрования следующего затора. Один раз в месяц сита механически чистят или обрабатывают 10%-м раствором каустической соды и тщательно моют. Продол- жительность сбора промывных вод 1,5—2 ч. Для интенсификации процесса разделения затора на жидкую и твердую фазы перспективно использование центробежных спосо- бов с применением центрифуг и сепараторов. 7.2.4. КИПЯЧЕНИЕ СУСЛА С ХМЕЛЕМ Отфильтрованное сусло и промывные воды собирают в сусло- варочный котел, где и кипятят с хмелем. С момента, когда посту- пающее из фильтрационного чана сусло покроет дно сусловароч- ного котла, и до конца поступления промывных вод температуру Жидкости поддерживают на уровне 75—78 °C. После спуска всех промывных вод проверяют полноту осахаривания и начинают ки- 181
пятить сусло с хмелем. Только при использовании очень хорошо растворенных солодов кипячение сусла можно начинать, не дожи- даясь окончания сбора промывных вод. При переработке недостаточно разрыхленного солода, приго- товленного из ячменя с пониженной прорастаемостью, возможно неполное осахаривание сусла. Для обеспечения полноты осахари- вания в первое сусло (в сусловарочный котел) добавляют 0,5 % со- лодовой вытяжки или ферментные препараты. Отстоявшуюся солодовую вытяжку отбирают в начале затира- ния от следующего затора, находящегося в заторном чане. При кипячении с хмелем сусло упаривается до нужного содержания сухих веществ. Одновременно происходят стерилизация сусла, инактивирование ферментов, коагуляция (свертывание) некото- рой части растворенных белков, выщелачивание и растворение горьких и ароматических веществ хмеля. Содержание сухих веществ в сусле вместе с промывными вода- ми обычно ниже требуемой величины для данного сорта пива, по- этому при кипячении в результате испарения влаги повышается содержание сухих веществ сусла. Для проведения дальнейших стадий технологического про- цесса приготовления пива требуется биологическая чистота сус- ла, от которой зависит стойкость конечного продукта — пива. Для этой цели достаточна длительность кипячения 20—25 мин, однако на практике сусло кипятят около 1,5—2 ч. Только дли- тельное кипячение сусла позволит закрепить нужное соотноше- ние отдельных фракций белковых веществ, свертывание некото- рых неустойчивых белковых веществ в виде крупных хлопьев, которые в дальнейшем выпадут в осадок и приведут к осветле- нию сусла. На образование хлопьев при свертывании белков и осветлении сусла кроме кипячения значительно влияют дубильные вещества хмеля. Большое количество высокомолекулярных продуктов распада белков в сусле может привести к образованию мути в готовом пиве и повлиять на биологическую стойкость. После кипячения сусло должно хорошо осветляться, т. е. свер- нувшиеся крупными хлопьями белки должны быстро осаждаться на дне пробного стаканчика, а сусло должно быть прозрачным. Хмель задают в сусло в два или три приема, причем последнюю порцию — незадолго до конца кипячения. При внесении хмеля в два приема всю порцию делят на две ча- сти: первую задают в сусловарочный котел после того, как в него поступило первое сусло, вторую — за 30—40 мин до конца кипяче- ния. При трехкратной задаче 50 % хмеля добавляют после набора первого сусла, 30 % — за час и последние 20 % — за 20 мин до кон- ца кипячения. 182
Количество задаваемого хмеля зависит от сорта пива, качества и способа внесения хмеля. Количество хмеля тем больше, чем выше концентрация сусла, чем больше должна быть стойкость пива и чем короче продолжительность кипячения с хмелем. Светлые сорта пива охмеляются сильнее, чем темные, и хмеле- вая горечь их больше. При охмелении пива, приготовленного на мягкой воде, требуется больший расход хмеля, чем при использо- вании жесткой воды. Из перешедших в сусло горьких веществ хмеля большое значение имеет «-горькая кислота, так как она обусловливает горечь пива На растворение горьких веществ влияет также и концентрация водородных ионов: при щелочной реакции растворимость горьких веществ выше, чем при кислой. В пиве в основном остаются толь- ко продукты превращения «-горькой кислоты, обусловливающие горечь пива. Эфирное масло при длительном кипячении улетучивается. Наиболее полно используется эфирное масло хмеля последней порции, задаваемой в конце кипячения. Оставшееся количество хмелевого масла или продукты его превращения участвуют в со- здании аромата пива. Как показывает опыт московских пивоваренных заводов, сусло для сортового пива следует кипятить в течение 30 мин до внесения хмеля в сусловарочный котел. В сусле имеются дубильные вещества солода и хмеля, кото- рые, не являясь консервирующими вещества, косвенным обра- зом повышают коллоидно-белковую стойкость пива вследствие своей способности осаждать некоторые белки. Дубильные веще- ства хмеля отличаются от дубильных веществ солода большей ра- створимостью в воде и способностью осаждать протеины, совер- шенно не коагулирующие и не осаждаемые дубильными веще- ствами солода. Для улучшения вкусовых свойств пива рекомендуется сначала кипятить сусло без хмеля, тогда на белки будут действовать ду- бильные вещества солода. При добавлении хмеля к суслу, частич- но освобожденному от белков, оно приобретает сильный хмелевой аромат, но без грубой горечи. Если же в сусло добавлять хмель в начале кипячения, то дубильные вещества солода, как более сла- бые, не взаимодействуют с белками и остаются в растворе, прида- вая суслу грубоватый вкус. Существующий способ использования хмеля очень несовершенен и неэкономичен, так как горькие ве- щества хмеля используются на 29—30 %. Большое распространение получил способ вторичного ис- пользования последней порции хмеля, который подвергается в сусловарочном котле кратковременному кипячению. В после- дней порции хмеля остается достаточное количество горьких ве- ществ, поэтому его можно использовать вторично для охмеления сусла. 183
В сусловарочный котел загружают последнюю порцию хмеля в сетчатой коробке; после кипячения сусла хмель из коробки зада- ется в сусло следующего затора. Наиболее эффективен способ применения хмеля в виде экст- ракта. При использовании экстракта повышается стойкость пива и упрощается технологический процесс охмеления сусла. 7.2.5. ОХЛАЖДЕНИЕ И ОСВЕТЛЕНИЕ СУСЛА Цель этой стадии — понизить температуру до благоприятной для процессов брожения, удалить взвешенные частицы из сусла и насытить его кислородом воздуха. В зависимости от методов брожения (низовое или верховое) сусло охлаждают до 6—7 или 14—16 °C. Охлаждение сусла прово- дят для того, чтобы снизить опасность инфицирования. Охлажде- ние проводят в две стадии: сначала сусло охлаждают сравнительно медленно до 60—70 °C, а затем быстро до начальной температуры брожения. При охлаждении сусла содержащиеся в нем взвешенные час- тицы под действием силы тяжести выпадают в осадок. Различа- ют грубые и тонкие взвеси. Грубые взвеси образуются во время кипячения сусла с хмелем; образующийся при этом осадок на- зывают горячим или грубым осадком. Основное количество этого осадка задерживается в хмелеотделителе. Прошедшее через слой хмелевой дробины горячее сусло прозрачно. Но при охлаж- дении из него продолжает выделяться горячий осадок. Состав это- го осадка следующий (%): белковые вещества — 50—60, хмелевые смолы—16—20, органические вещества — 20—30, минеральные вещества — 2—3. На второй стадии выделяются вещества, растворимые в горя- чем и нерастворимые в холодном сусле. Осадок, образующийся на второй стадии, называется «холодным» или тонким осадком. Осаж- дение взвешенных частиц — осветление сусла — положительно влияет на протекание последующего процесса брожения и улуч- шает качество пива. В горячем сусле кислород растворяется не- значительно; с понижением температуры сусла растворимость кислорода (как и других газов) увеличивается. Окислительные процессы за счет поступающего кислорода энергичнее протека- ют при более высокой температуре: сусло темнеет, резко пони- жаются хмелевые аромат и горечь. Эти процессы ухудшают каче- ство сусла. Однако кислород содействует коагуляции белков и образованию хорошего осадка в сусле, благодаря чему оно лучше осветляется. Чтобы сократить нежелательные окислительные процессы до минимума, общая продолжительность осветления и охлаждения сусла не должна превышать 100 мин. Для осветления сусла при- 184
меняют отстойные чаны, гидроциклонные аппараты, сепараторы. Охлаждение проводят в теплообменниках, причем более эффек- тивными и распространенными являются пластинчатые холодиль- ники, устраняющие возможность инфицирования сусла. 7.3. СБРАЖИВАНИЕ ПИВНОГО СУСЛА Брожение — сложный биохимический процесс, во время кото- рого под действием ферментов пивных дрожжей сбраживается ос- новное количество углеводов сусла. Существуют верховое и низо- вое брожение. Они отличаются применяемыми расами дрожжей и температурным режимом. Низовое брожение протекает обычно при 6—10 °C, верховое — при 14—25 °C. Оба типа брожения протекают в две стадии: первую принято называть главным брожением, вторую — дображиванием. Главное брожение характеризуется более или менее интенсивным сбраживанием большей части сахаров сусла; дображивание — мед- ленным сбраживанием оставшихся сахаров, осветлением, созрева- нием пива и насыщением его диоксидом углерода. Главное брожение характеризуется биологическими, биохими- ческими и физико-химическими процессами. К биологическим процессам относится размножение дрожжей. В пивном сусле содержатся все питательные вещества, необходи- мые для нормального размножения и развития дрожжей. Наибо- лее интенсивное размножение дрожжей происходит на начальной стадии главного брожения. В условиях ведения главного брожения одновременно осуществляется как размножение дрожжей, так и брожение. Но при нормальном брожении размножение дрожжей заканчивается задолго до конца брожения. Биомасса дрожжей уве- личивается в 3—4 раза. Основным биохимическим процессом при главном брожении является превращение сбраживаемых сахаров в этанол и диоксид углерода. Большая часть экстракта сусла состоит из углеводов, в состав которых входят (%): фруктоза — 1—3, глюкоза — 8—10, са- хароза — 2—6, мальтоза — 38—50, мальтотриоза — 11 — 19, мальто- тетраоза — 2—6, декстрины — 14—22. Из них сбраживаются глю- коза, фруктоза, сахароза, мальтоза и мальтотриоза, т. е. наиболь- шая часть экстракта (75 %) состоит из сбраживаемых сахаров. Не- сбраживаемая часть экстракта представлена главным образом декстринами, белками и минеральными веществами. Сбраживание отдельных сахаров происходит в определенной последовательности и обусловлено скоростью их проникновения в дрожжевую клетку. Быстрее всех сбраживаются фруктоза и глю- коза. Сахароза инвертируется из сусла еще в начале брожения. Она гидролизуется p-фруктофуранозидазой, локализованной в 185
цитоплазме дрожжевой клетки с образованием глюкозы и фрукто- зы, которые легко используются клеткой. Когда в сусле почти не останется фруктозы и глюкозы, дрож- жи начинают потреблять мальтозу, которая под действием фер- мента а-глюкозидазы превращается в легкосбраживаемую глю- козу. Мальтоза почти полностью сбраживается при главном брожении. Мальтотриозу дрожжи лишь частично сбраживают при глав- ном брожении и медленно потребляют ее при дображивании. В сусле, богатом мальтозой, мальтотриоза может остаться несбро- женной. Этанол и диоксид углерода — основные конечные продукты спиртового брожения. Из вторичных продуктов спиртового бро- жения в сбраживаемом сусле находятся глицерин, уксусный аль- дегид, пировиноградная, уксусная, янтарная, лимонная и молоч- ная кислоты, ацетоин (ацетилметилкарбонал), 2,3-бутиленгли- коль и диацетил. В основном преобладают такие кислоты, как ук- сусная и янтарная, а также 2,3-бутиленгликоль и уксусный альдегид и в незначительных количествах — ацетоин и лимонная кислота. Процессом, сопутствующим спиртовому брожению, является образование из аминокислот высших спиртов, которые оказывают влияние на аромат и вкус пива. Высшие спирты являются своеоб- разными побочными продуктами брожения. Под действием эстераз дрожжей происходит образование слож- ных эфиров, главным образом из альдегидов. Высшие спирты, а также все кислоты, находящиеся в сбраживаемом сусле, также участвуют в процессах эфирообразования. При сбраживании пивного сусла дрожжами образуется некото- рое количество так называемых С4-соединений: ацетоина, диаце- тила и 2,3-бутиленгликоля. Диацетил — нежелательный компо- нент пива, так как придает ему характерные медовые запах и при- вкус. Он образуется дрожжами в начале главного брожения, когда интенсивно размножаются. В стадии дображивания и созревания молодого пива количество диацетила значительно уменьшается, так как с изменением условий он восстанавливается в ацетоин. Но ацетоин, в свою очередь, может быть причиной так называемого подвального (затхлого) привкуса пива. Содержание ацетоина в пиве 1 мг/дм3 считают нормальным, однако с повышением его со- держания от 2,3 до 5,3 мг/дм3 появляется затхлый привкус пива. Все технологические приемы, сопровождающиеся переходом анаэробного процесса в аэробный, способствуют образованию ди- ацетила. Полагают, что образование ацетоина, диацетила и 2,3-бутилен- гликоля происходит по следующей схеме: 186
IV Оксидаза сн3—снон —снон —сн3 Редуктаза СНз-со— СООН 1 I I СНз -СО -снон —СН2 —СООН II Оксидаза III СНз -СО—СНОН —СНз Редуктаза х СН3—СО—СО—СН3 V Пировиноградная кислота (I) ацетилируется в ацетомолочную кислоту (II), а из нее путем декарбоксилирования образуется аце- тоин (III), который окисляется в диацетил (V) или восстанавлива- ется в 2,3-бутиленгликоль (IV). Таким образом, ацетоин, диацетил и 2,3-бутиленгликоль являются продуктами трех ступеней окисле- ния. Дрожжи в стадии активного размножения обладают способнос- тью восстанавливать диацетил в 2,3-бутиленгликоль, который не придает пиву неприятного привкуса. В результате редукции дрож- жами в пиве образуются небольшие концентрации диацетила (0,2 мг/дм3). Наличие сбраживаемого сахара повышает способ- ность дрожжей восстанавливать диацетил. В результате сбраживания сахаров пивное сусло превращается в молодое пиво. Все находящиеся в нем вещества обусловливают его аромат и вкус. Так, высший спирт тирозол (образуется из ти- розина) обладает интенсивным горьким вкусом и является одним из главных компонентов, определяющих букет пива. Все высшие спирты (пропиловый, изобутиловый, изоамиловый, амиловый, тирозол, триптофол) обладают характерным запахом и дают слож- ные эфиры, которые приобретают приятные, смягченные запахи, влияющие на образование аромата и вкуса пива. С изменением концентрации некоторых веществ запахи изменяются и, входя в композицию в необходимом количестве, существенно улучшают общий аромат. Сбраживание сусла сопровождается изменением pH. Началь- ное сусло при введении в него дрожжей имеет pH 5,3—5,6 и даже 6,0, а молодое пиво —pH 4,2—4,6. Понижение pH происходит вследствие образования углекислоты и органических кислот, глав- 187
ным образом янтарной и молочной. Наибольшее понижение pH происходит на третий день брожения. Значительно быстрее, чем pH, при брожении изменяется гН2 (окислительно-восстановительный потенциал). В процессе бро- жения в сусле уменьшается количество продуктов окисления и на- капливается количество продуктов восстановления, что и приво- дит к понижению гН2. В охлажденном сусле гН2 > 20. Как только начинается интенсивное брожение, гН2 понижается до 10—11. Большую роль в изменении гН2 играют дрожжи. Они тормозят окислительные процессы, быстро поглощая растворенный в сусле кислород, затрачивая его на обменные реакции. Кроме того, выде- ляющийся диоксид углерода вытесняет кислород из сусла, что также замедляет окисление. В период интенсивного брожения весь растворенный кислород потребляется дрожжами и гН2 сни- жается до минимума, достигая 10. Чем ниже величина гН2 в процессе брожения, тем выше каче- ство получаемого пива. При высоком значении гН2 сусло и моло- дое пиво становятся темнее, ухудшается вкус готового пива, может появиться муть. Из других физико-химических процессов важное значение для брожения имеют коагуляция белковых веществ и ценообразова- ние. Образование спирта, эфиров и понижение pH сбраживаемого сусла способствуют коагуляции белковых веществ. Белковые ве- щества частично денатурируют, частично теряют свой заряд и флокулируют. Происходит выделение некоторых фракций белков в виде крупных агрегатов с одновременной агглютинацией и осаж- дением дрожжей. Выделяются в основном белковые вещества, изо- электрическая точка которых близка к pH молодого пива. При этом осаждается и часть тонких взвесей (белково-дубильные соедине- ния), которые поступили в бродильный аппарат с суслом. Пенообразование обусловлено выделением пузырьков диоксида углерода. Образующийся в ходе брожения диоксид углерода снача- ла растворяется в сбраживаемом сусле, а по мере насыщения сусла выделяется в виде газовых пузырьков На поверхности газовых пу- зырьков появляется адсорбционный слой поверхностно-активных веществ (белки, пектин, хмелевые смолы). При слипании отдель- ных пузырьков появляется пена, постепенно покрывающая поверх- ность сусла. В процессе брожения сусла внешний вид пены изменя- ется: в определенный период она напоминает завитки. Основу для образования завитков создают коагулируемые белки и выделяемые хмелевые смолы, а их формирования — диоксид углерода. 7.3.1. ХАРАКТЕРИСТИКА ПИВОВАРЕННЫХ ДРОЖЖЕЙ Большинство применяемых в пивоварении дрожжей относятся к роду Saccharomyces, виду Carlsbergensis. Пивное сусло сбражива- ют дрожжами низового и верхового брожения. Верховые дрожжи 188
во время брожения собираются на поверхности сусла в виде шап- ки Для них характерно взвешенное в сусле состояние. Поэтому их называют пылевидными. Дрожжи низового брожения после брожения оседают на дно аппарата плотным слоем. В сусле они собираются в виде хлопьев поэтому их называют хлопьевидными. Эта способность дрожжей имеет важное практическое значение — быстро осветляется пиво и появляется возможность собирать дрожжи из бродильных танков и многократно их использовать. По степени сбраживания дрожжи делятся на высоко- и низко- сбраживающие. Процесс брожения зависит от ряда факторов: способа сбражи- вания, состава сусла, температуры брожения, величины бродиль- ного аппарата, но наибольшее значение имеет штамм дрожжей, от которого зависят вкус и аромат готового пива. Наиболее пригод- ными считаются быстросбраживающие дрожжи, дающие хорошее осветление и мягкий чистый вкус пива. В производстве пива наибольшее распространение получили штаммы низовых дрожжей: 776, 11, 41, 44, 8а(М) Н, 37 и др. Штамм 776 —дрожжи среднесбраживающие. Хорошо осветля- ют сусло, образуют плотный осадок. К качеству сырья неприхот- ливы. Форма клеток яйцевидная. Они наиболее приемлемы на пи- воваренных заводах. Штаммы 11, Н—дрожжи сильно- и быстросбраживающие. К качеству сырья нетребовательны. Форма клеток овальная. Флоку- ляционная способность хорошая. Вкус пива полный. Штаммы 41, 44 — дрожжи среднесбраживающие. Форма клеток овальная. Способность к агглютинации хорошая. Вкус пива чис- тый, мягкий. Штамм 8а(М) —дрожжи сильносбраживающие. Форма клеток овальная. Флокуляционная способность хорошая. Вкус пива чис- тый, мягкий. Для отдельных сортов темного пива применяются специальные расы дрожжей верхового брожения. Дрожжи чистой культуры разводят обычно в лаборатории заво- да. Для этой цели применяют различную аппаратуру, которая дол- жна обеспечить стерильность сусла и стерильную передачу бродя- щих дрожжей из стадии в стадию. 7.3.2. РАЗВЕДЕНИЕ ЧИСТОЙ КУЛЬТУРЫ ДРОЖЖЕЙ Под разведением чистой культуры дрожжей понимают увели- чение массы дрожжей из пробирки, получаемой из музейной кол- лекции,' до массы дрожжей, задаваемых в бродильный аппарат. Процесс разведения состоит из двух этапов, которые проводят в микробиологической лаборатории и отделении чистой культуры. 189
В лаборатории процесс культивирования дрожжей протекает в пять стадий, каждый раз с возрастанием объема стерильного охме- ленного сусла. Процесс начинается в пробирке, затем в колбе вме- стимостью 250 см3, далее в бутыле на 3—5 дм3 и заканчивается в бутыле вместимостью 20—30 дм3. Первые две стадии размножения дрожжей ведут при 18—20 °C, остальные — при 8—10 °C. Дальнейшее разведение дрожжей осу- ществляют в производственных условиях в аппарате конструкции Грейнера, состоящем из стерилизатора сусла, бродильных цилин- дров, сосудов для посевных дрожжей и резервуара для предвари- тельного брожения. Чистую культуру разводят следующим образом. В стерилизатор набирают горячее охмеленное сусло, кипятят и охлаждают до 8— 12 °C. Охлажденное сусло направляют в бродильный цилиндр, куда переносят разводку чистой культуры дрожжей после пятого пересева. Сбраживание сусла продолжают в течение 3 сут. При этом дрожжи размножаются и их биомасса увеличивается. После брожения из цилиндра отбирают часть разводки дрожжей (10 дм3) в сосуд для посевных дрожжей, где она хранится до следующего пересева. Основную часть разводки дрожжей из цилиндра перека- чивают в резервуар предварительного брожения, куда подают за- водское охмеленное сусло температурой 9 °C. В резервуаре предва- рительного брожения дрожжи размножаются в течение 3 сут. На следующих циклах бродильные цилиндры, освобожденные от дрожжей, заполняют стерильным суслом из стерилизатора и за- севают дрожжами, хранящимися в сосудах (10 дм3). Процесс раз- множения дрожжей в аппарате конструкции Грейнера повторяют многократно до обнаружения в дрожжах посторонней микро- флоры. Сброженная биомасса из резервуара предварительного броже- ния поступает в бродильный аппарат вместимостью 1000 дм3, куда доливают 300 дал заводского охмеленного сусла, а через 12 ч — еще 400 дал. Через 36 ч забродившее сусло можно вносить в каче- стве дрожжей в аппарат главного брожения. Осевшие при броже- нии дрожжи снимают, промывают холодной водой и используют в производстве. Каждый оборот дрожжей называется генерацией. Повторно ис- пользуемые генерации дрожжей должны удовлетворять следую- щим требованиям: количество мертвых дрожжевых клеток должно быть не выше 5 %; наличие посторонних бактериальных клеток — не выше 0,5; упитанность дрожжевых клеток по гликогену — не ниже 70 %; наличие диких клеток дрожжей не допускается. Семенные дрожжи после брожения направляются в дрожже- вое отделение, где их обрабатывают на вибросите для отделения крупных хлопьев белковых веществ и хмелевых смол, а затем тщательно промывают холодной водой температурой 1—2 °C. Благодаря промывке дрожжи освобождаются от оставшегося эк- 190
стракта, прекращают брожение и хорошо оседают в ванночках. В результате освобождения от слизистых веществ, обволакивающих поверхность клеток, повышается проницаемость клеточных обо- лочек. Ежедневный уход за дрожжами заключается в смене воды и поддержании в сборнике температуры 1—2 °C. Под слоем холод- ной воды дрожжи могут сохраняться в хорошем состоянии в тече- ние 3—4 сут. Для очистки дрожжей от вредных бактерий применяют раствор серной кислоты. Дрожжи тщательно размешивают в емкости из нержавеющей стали с 1%-ным раствором серной кислоты в соот- ношении 1 : 1 и оставляют на 40 мин в покое. Затем все размеши- вают и добавляют раствор соды для нейтрализации серной кисло- ты, в результате чего образуются крупные хлопья дрожжей. Дрож- жи отстаиваются, жидкость сливают, очищенные дрожжи промы- вают несколько раз холодной водой. Так как серная кислота действует угнетающе на дрожжи, норму семенных дрожжей после такой очистки увеличивают на 20—35 %. Кроме серной кислоты можно применять слабые растворы кислот молочной, фосфорной, винно-каменной и пр. 7.3.3. ВЕДЕНИЕ ГЛАВНОГО БРОЖЕНИЯ Под ведением брожения понимают регулирование условий бро- жения: температуры, степени сбраживания, способа введения се- менных дрожжей. Главными факторами, влияющими на броже- ние, являются применяемые расы дрожжей и температура броже- ния. При сбраживании происходит изменение химического соста- ва, физических свойств и внешнего вида сусла. Главное брожение протекает в несколько стадий. Они отлича- ются друг от друга и характеризуются изменением внешнего вида поверхности бродящего сусла, изменением температуры, пониже- нием экстрактивности сусла и степенью осветления пива. Первая стадия брожения, характеризующаяся образованием на поверхности сусла нежно-белой пены, называется заделом. Через 15—20 ч после задачи дрожжей появляются первые признаки бро- жения. Становится заметным выделение углекислоты и появление нежно-белых пузырьков пены. Сначала пузырьки пены появляют- ся по краям сусла. У стенок бродильного чана образуется валик белой пены. Затем постепенно вся поверхность сусла затягивается равномерным слоем белой пены, т. е. образуется забел. К концу первой стадии брожения в пене начинают появляться незначи- тельные выделения хмелевых смол и белковых веществ. Начальная стадия брожения продолжается 1 —1,5 сут и характе- ризуется главным образом размножением дрожжей; убыль экст- ракта составляет 0,2—0,5 % за сутки. 191
Вторая стадия брожения называется периодом низких завитков. Выделение пузырьков углекислоты становится более интенсив- ным, образуется густая, компактная масса пены, которая начинает подниматься. Пена приобретает форму завитков красивой формы. Вследствие усиленного выделения хмелевых смол завитки окра- шиваются в желто-коричневый цвет. Внешний вид завитков зави- сит от температурного режима брожения, химического состава и концентрации сусла, расы дрожжей и количества хмеля. При про- чих равных условиях с увеличением количества задаваемого в сус- ло хмеля образуются более красивые и компактные завитки. Пе- риод низких завитков продолжается 2—3 сут. В это время броже- ние протекает равномерно, за сутки экстрактивность сусла пони- жается на 0,5—1,0 %. Третья стадия, характеризующаяся наибольшей интенсивнос- тью брожения, называется периодом высоких завитков. На 4-е или 5-е сутки брожения в зависимости от температурного режима тем- пература сусла достигает допустимого максимума и ценообразова- ние усиливается. Уменьшение экстракта сусла в течение суток до- стигает 1 — 1,5%. В этот момент происходит весьма энергичное выделение пузырьков диоксида углерода. Пена становится рых- лой, сильно поднимается вверх, и завитки достигают наибольшей величины. Выделение хмелевых смол становится заметнее, кончи- ки завитков приобретают коричневую окраску, и, наконец, вся поверхность пены принимает характерный коричневый цвет. Пе- риод высоких завитков продолжается 3—4 сут. Четвертая стадия главного брожения, называемая периодом опа- дания завитков, характеризуется постепенным опаданием пены, хлопьеобразованием дрожжей и осветлением пива. Выделение пу- зырьков диоксида углерода уменьшается. Завитки постепенно ис- чезают, и в конце брожения поверхность сусла покрывается тон- ким слоем пены, который называется покрышкой или декой. Опадание завитков продолжается около 2 сут. На этой стадии бро- жения экстрактивность сбраживаемого сусла понижается на 0,5— 0,2 % в сутки. Главное брожение считается законченным при по- нижении экстрактивности сбраживаемого сусла на 0,1—0,2 % в те- чение суток. Полученный к концу этой стадии брожения продукт называют молодым пивом. Бродильные танки бывают закрытые, открытые, прямоуголь- ной и цилиндрической формы, из нержавеющей стали, алюминия и железобетона. Наибольшее распространение получили закры- тые танки цилиндрической формы. В таких бродильных танках вся дека при перекачивании пива в лагерные танки остается на верхней сферической части и стенках. Все вновь строящиеся пи- воваренные заводы оборудуют такими бродильными танками. Для удобства эксплуатации бродильные танки монтируют на специальных подставках на высоте 50—60 см от уровня пола. Бро- дильные танки немного наклоняют в сторону спускных отвер- 192
стий, для того чтобы пиво полностью стекало с дрожжей, а также для лучшего спуска дрожжей и смывных вод. Для соблюдения температурного режима брожения в бродиль- ных танках устанавливают стационарные, а иногда переносные змеевики, по которым текут холодная вода или рассол. При рас- сольном охлаждении нужно тщательно следить за состоянием тру- бопровода, так как рассол быстро разъедает металл и часть рассола может попасть в пиво. Во время главного брожения выделяется большое количество СО2. На многих пивоваренных заводах, где брожение ведут в зак- рытых танках, СО2, выделяющийся при брожении, собирают и ис- пользуют для промышленных целей. Холодное сусло из холодильных аппаратов поступает в танки предварительного брожения или непосредственно в бродильные танки. Главное брожение сусла начинают с момента внесения дрожжей. В танки предварительного или главного брожения после запол- нения их суслом на 1/10 емкости вносят подготовленные семен- ные дрожжи, для того чтобы подавить деятельность посторонней микрофлоры, попавшей в охлажденное сусло. Предварительное брожение применяют для получения сусла однородного состава и улучшения процесса брожения за счет час- тичного выпадения в осадок белков и других веществ. По истече- нии 20—24 ч забродившее сусло перекачивают в бродильные тан- ки, не трогая образовавшийся на дне чана осадок. Норма маточ- ных дрожжей составляет 0,4—0,7 дм3 густых дрожжей на 10 дал сусла. Задаваемые дрожжи предварительно проверяют в лаборатории. Они должны быть свежими, хорошо промытыми, с приятным запа- хом, светлыми и обладать нормальной бродильной способностью. На многих заводах дрожжи с холодным суслом перемешивают в монжю путем продувания стерильным воздухом, или диоксидом углерода, или механическим перемешиванием. Различают два ре- жима брожения: холодное (дрожжи вносят при 5—6 °C, макси- мальная температура 8—9 °C и конечная 4,5—5,5 °C) и теплое (дрожжи вносят при 9 °C, максимальная температура 12—13 °C и конечная 6—7 °C). При брожении кроме СО2 выделяется теплота, поэтому для поддержания режима брожения температуру следует регулировать так, чтобы она не поднималась выше установленной. Необходимо своевременно установить момент начала охлаждения. Охлаждение сусла раньше установленного срока вызывает ослабление деятель- ности дрожжей. Запоздалое охлаждение также нежелательно, так как при этом будет сброжено больше экстракта, поэтому для дображивания и нормального насыщения пива диоксида углерода останется недо- статочно. 193
Необходимо помнить, что резкое изменение температуры па- губно влияет на брожение, так как при этом приостанавливается деятельность дрожжей. Для получения пива хорошего качества молодое пиво должно быть выброжено так, чтобы для процесса дображивания в нем осталось около 1 — 1,5 % сбраживаемых угле- водов. На практике конец главного брожения определяют по ви- димому содержанию сухих веществ в молодом пиве. Основным показателем, характеризующим окончание главного брожения, является степень сбраживания. Степенью сбраживания v называется количество сброженного экстракта сусла, выражен- ное в процентах, к содержанию сухих веществ исходного сусла: v [100 (Е—ё)]/Е, где £—содержание сухих веществ в исходном сусле по сахариметру, %; е —содер- жание сухих веществ в молодом пиве по сахариметру, %. Различают кажущееся (видимое) и действительное содержание экстракта. Видимый экстракт определяют в продукте при наличии в нем спирта и углекислоты, а действительный — после удаления последних. Величина видимого экстракта всегда меньше величины дей- ствительного. В соответствии с этим видимая степень сбражива- ния больше действительной. Для качества готового пива большое значение имеет достижение конечной степени сбраживания (выс- шей видимой степени сбраживания), которая наступает при пол- ном сбраживании всех сбраживаемых сахаров. Степень сбраживания готового пива должна приближаться к конечной степени сбраживания, так как при содержании сахаров в нем легко развиваются дрожжи и бактерии. Кроме того, высокое содержание несброженного сахара обусловливает слабость пива, что для большинства сортов пива нежелательно. Степень сбраживания молодого пива в зависимости от режима работы, качества перерабатываемого сырья и состава сусла приве- дена в табл. 7.1. Таблица 7.1 Кажущаяся степень сбраживания некоторых групп пива Группа пива Концентрация начального сусла, % Показания сахариметра в конце брожения, Кажущаяся степень сбраживания, % Светлое 11 % 11 4,5-4.3 59-61 12% 12 4,2-3,9 65-67,5 13% 13 5,0-4,8 61,5-63,5 20% 20 6,9-6,8 65-66 Темное 13% 13 5,4-5,2 58-60 14,5% 14,5 5,6-5,5 60-61,5 20% 20 8,7-8,5 56,0-57,0 194
Главное брожение считается законченным, если произошло ос- ветление молодого пива, а за сутки сброжено 0,1— 0,2 % экстракта сусла. Более точно окончание главного брожения устанавливают по достижении необходимого видимого экстракта, определяемого в молодом пиве по сахариметру. Длительность главного брожения зависит от экстрактивности сусла и температуры брожения. При холодном способе продолжительность брожения сусла с экстрак- тивностью 11 — 13 % составляет 7—8 сут, 14—20 % — 9—12 сут. 7.4. ДОБРАЖИВАНИЕ И ВЫДЕРЖКА ПИВА После главного брожения молодое пиво перекачивают в танки лагерного цеха для дображивания и выдержки. Дображивание и выдержка пива имеют решающее значение для вкуса, пенистости и стойкости пива. В этот период протекают те же процессы, что и при главном брожении, но более медленно. Уменьшение скорости биохимических процессов обусловлено в основном более низкой температурой и меньшим количеством дрожжевых клеток в единице объема сбраживаемого продукта, так как основная масса дрожжей удаляется из него после окончания главного брожения. По мере дображивания окислительно-восста- новительный потенциал пива понижается: через 2—3 нед добра- живания гН2 пива с 22 снижается до 10—11. В этот период проис- ходят внутримолекулярное окисление многих неустойчивых ве- ществ и образование тонкой окислительной мути, трудно удаляе- мой методом фильтрования. Поэтому стремятся удалить эту муть естественным путем, т. е. осветлением. Осветление является вто- рой фазой дображивания и выдержки пива и заключается в том, что оседающие дрожжи сорбируют белковую муть и другие взвеси, увлекая их на дно лагерного танка. Цель дображивания — карбонизация пива, т. е. насыщение пива СО2 — важнейшей составной частью пива, которая придает пиву приятный и освежающий вкус, способствует ценообразова- нию, предохраняет пиво от соприкосновения с кислородом возду- ха, служит консервантом, подавляя развитие посторонних и вред- ных микроорганизмов. Молодое пиво после главного брожения содержит около 0,2 % растворенной углекислоты, а готовое пиво — не менее 0,35—0,40 %. В шпунтованном пиве большая часть углекислоты находится в пересыщенном состоянии Пересыщение раствора газа в пиве дос- тигается при длительной выдержке пива в спокойном состоянии. Связывание и накопление углекислоты в пиве возможно благода- ря тому, что дображивание происходит в закрытых емкостях под избыточном давлением. В среднем при нормальных условиях дображивания пересыще- ние пива углекислотой достигает 30—40 %. 195
Различие между пересыщением воды и пива диоксидом углеро- да объясняется тем, что углекислота, образующаяся в результате брожения, находится в особом физическом состоянии — в виде коллоидного раствора мелких пузырьков, стабилизированных ад- сорбционными пленками, образующимися на их поверхности. В процессе брожения в качестве побочных компонентов образуются поверхностно-активные коллоидно-растворимые вещества. Эти вещества создают защитные (стабилизирующие) пленки на повер- хности мельчайших пузырьков или зародышей возникающей газо- вой фазы. Пленки — адсорбционные оболочки, обволакивающие зародыши пузырьков при их возникновении, препятствуют коа- лесценции, т. е. слиянию пузырьков в более крупные, следова- тельно, замедляют процесс их подъема. Кроме того, они могут за- медлять диффузию газа из окружающей пересыщенной жидкости в пузырек. Все это приводит к сохранению пересыщения даже после снятия давления. Согласно другому предположению замедление пересыщения обусловлено образованием в процессе брожения весьма нестойких химических соединений типа эфиров угольной кислоты, которые после снятия давления постепенно распадаются с выделением свободного диоксида углерода. Часть углекислоты вступает в химическое взаимодействие с аминокислотами и этанолом. При этом образуются углекислые эфиры. Резкое отличие букета готового пива от букета молодого пива отчасти объясняется присутствием углекислых эфиров. Реакция образования диэтилового эфира угольной кислоты представлена следующими уравнениями: С2Н5ОН + НОН + СО2 <=> С2Н5ОСООН + Н2О; С2Н5ОН + С2Н5ОСООН <=> (С2Н5О)2СО + Н2О. Эфирные соединения углекислоты непрочны. При изменении условий выдержки пива в лагерном отделении или при физичес- ком воздействии указанная равновесная система нарушается в сторону распада образовавшегося сложного эфира. Таким обра- зом, углекислота находится в пиве в растворенном и связанном состояниях. Между отдельными формами углекислоты существует следующее подвижное равновесие: RCO2 <=» R +СО2 (растворенная) СО2 (газ), где RCO2 — связанная углекислота. Медленное выделение углекислоты при розливе пива объясня- ется также физико-химическими свойствами экстракта — адсорб- цией. Пиво представляет собой смесь истинных водных растворов 196
(алкоголя, сахара, кислот, солей) с коллоидными растворами (дек- стрины, белковые вещества, пектины, хмелевые смолы и крася- щие вещества). Коллоиды имеют большую адсорбционную по- верхность. Положительно заряженные коллоиды пива адсорби- руют на своей поверхности кислоты, в том числе углекислоту. Таким образом, соли коллоидов обусловливают метастабильное состояние диоксида углерода, чем и объясняется медленное вы- деление его из пива. При встряхивании пива метастабильное со- стояние нарушается, начинается быстрое и бурное выделение уг- лекислоты. Весьма важным процессом при дображивании и выдержке яв- ляется осветление пива. Молодое пиво поступает в лагерный танк со взвешенными дрожжевыми клетками и другими суспензиями. Пиво охлаждается в лагерном танке до более низкой температуры (0—1 °C), чем в бродильном отделении (5—8 °C). С понижением температуры пива происходит выделение тех веществ, которые при температурных условиях главного брожения являлись еще ра- створимыми. Наступает помутнение, которое обусловливается главным образом белково-дубильными соединениями. Скорость и степень осветления зависят от характера и величины взвешен- ных частиц. Тончайшие взвешенные частицы оседают очень мед- ленно. Для их осаждения при 2—4 °C требуется продолжительное время. Чем тяжелее и крупнее взвешенные частички, тем быстрее на- ступает осветление. Дрожжевые клетки оседают быстрее, чем бел- ковые вещества. Осветление пива естественным путем не достигается в доста- точной степени. После определенной выдержки его подвергают фильтрованию. При производстве стойкого пива его предвари- тельно обрабатывают танином, активированным углем и различ- ными силикатами. Важным процессом при дображивании и выдержке является формирование аромата и вкуса пива. При выдержке вкус пива улучшается, выраженный дрожжевой привкус и привкус хмелевой горечи исчезают. Уменьшение горького вкуса при выдержке пива объясняется коагуляцией и старением хмелевых смол. Это одна из причин перехода грубого, горького вкуса в благородный. Дрожже- вой привкус исчезает в результате оседания дрожжей. Предполага- ют, что вследствие окислительных процессов исчезают вещества, которые обусловливают неприятный букет молодого пива. При созревании происходят окислительно-восстановительные превращения таких соединений, как альдегиды, кислоты, спирты, полифенолы, ацетоин, диацетил и красящие вещества, а также хи- мическое взаимодействие многочисленных компонентов пива. В результате в пиве увеличивается содержание эфиров на 25—35 %, высших спиртов на 15—25 %, уменьшается содержание альдегидов на 30—40 %, диацетила на 40—50 %. 197
На вкус и аромат пива влияют также продукты распада белков дрожжевых клеток при их автолизе под действием протеолитичес- ких ферментов. Автолиз сопровождается выделением таких про- дуктов распада, как пентозы и аминокислоты, различные витами- ны, некоторые компоненты нуклеиновой кислоты. Вкус пива при выдержке становится легче и нежнее. Итак, в период дображивания и выдержки протекают биохими- ческие, химические и физико-химические процессы. Решающее значение для этих процессов имеет время, в течение которого пиво выдерживается. При высокой концентрации начального сус- ла и более низкой степени сбраживания молодого пива требуется более длительный период выдержки. Научно разработанных критериев для определения сроков вы- держки пива нет. Практикой установлено, что мало выдержанное молодое пиво не удовлетворяет потребителя по своим вкусовым свойствам; перезрелое пиво обладает более худшим вкусом, недо- статочной стойкостью и пенистостью. Оптимальным считается та- кой срок выдержки, при котором пиво достаточно насыщено свя- занной углекислотой, имеет хорошее осветление и необходимую степень сбраживания. Ход дображивания и выдержки контролируют по убыли экст- ракта, увеличению содержания углекислоты и алкоголя, степени осветления и, наконец, по аромату, вкусу и пенистости. Показате- лем окончания дображивания является конечная степень сбражи- вания. Для получения более стойкого пива достигают почти ко- нечной степени сбраживания, разница составляет только 1—2 %. При полном сбраживании сахаров стойкость возрастает, но та- кое пиво по вкусовым свойствам уступает пиву с меньшей степе- нью сбраживания. Степень сбраживания темных сортов пива при розливе меньше конечной степени сбраживания на 5—7 %, что со- четается с характерным вкусом этого сорта пива. При дображива- нии светлых сортов достигают более высокую степень сбражива- ния. Каждый сорт пива достигает наилучшего качества после исте- чения определенного времени. Так, например, пиво, приготов- ленное из сусла 10—11%-й концентрации, требует выдержки не менее 3 нед, пиво из более концентрированного сусла выдержива- ют до 2 мес и более. Дображивание пива проводят при температуре 1—2 °C в закры- тых аппаратах без контакта с воздухом, под давлением диоксида углерода 0,04—0,06 МПа. Для проведения выдержки пива под оп- ределенным постоянным давлением применяют специальные ре- гуляторы давления, называемые шпунтаппаратами. Сначала процесс дображивания протекает при открытом шпун- товом отверстии, и только по истечении некоторого времени (че- рез 1—2 сут) танки герметически закрывают. Этот процесс назы- вается шпунтованием. Сразу после перекачки молодое пиво шпун- 198
товать нельзя, так как в танках над пивом имеется 2—4 % воздуш- ного пространства. При повышенном давлении воздух может ра- створиться в пиве и будет препятствовать процессу созревания. За несколько дней до шпунтования весь воздух над поверхностью пива успеет вытесниться углекислотой. Наряду с периодическим способом брожения и дображивания пива в нашей стране и за рубежом применяют непрерывные и ус- коренные методы. Для получения пива эффективно используют цилиндроконические бродильные аппараты большой вместимос- ти (ЦКБА). В этом аппарате совмещены процессы главного бро- жения, дображивания и созревания пива. Разработанные техноло- гические режимы и конструкции аппаратов позволяют сократить общую продолжительность брожения и дображивания пива для сусла с экстрактивностью 11 % до 12—14сут, для 12 %—до 18— 20, для 13 % — до 22—25 сут. 7.5. ОСВЕТЛЕНИЕ И РОЗЛИВ ПИВА Созревшее, выдержанное лагерное пиво является сложной по- лидисперсной системой с содержанием твердой фазы 0,15— 0,01 мае. % на сухое вещество. Цель осветления —удаление из пива твердых частиц для придания ему высокой прозрачности, биологической и белково-коллоидной стойкости без ухудшения вкуса, аромата и снижения пеностойкости. Частицы твердой фазы пива можно разделить на три группы: дрожжи и микроорганизмы размером 1 —Юмкм; белки, полифе- нолы и углеводы размером 0,1 —Юмкм; соли различных метал- лов, посторонние частицы (адсорбенты, частицы покрытия тан- ков). Основную массу твердой фазы составляют дрожжи (около 90%). По структуре и форме вещества твердой фазы различают хлопь- евидные (белок), желеобразные (крахмал и гуми-вещества) и кри- сталлические (соли различных металлов). Белковые и полифе- нольные комплексы нестабильны, что может привести к образова- нию мути в готовом пиве. Эти реакции частично обратимы, выпа- дение мути происходит при охлаждении пива. Для удаления как можно большего количества частиц, способных к образованию мути, осветление необходимо вести при низких температурах (около 0 °C). Пиво осветляют сепарированием, фильтрованием или тем и другим вместе. Сепарирование пива. Это высокопроизводительный способ с минимальными потерями и затратами. Однако сепараторы обла- дают невысокой эффективностью осветления: плохо выделяются частицы высокой степени дисперсности. Поэтому сепарирован- ное пиво не имеет блеска. При сепарировании хорошо выделяют- ся дрожжи, поэтому его применяют для предварительного освет- 199
ления пива при высоком содержании плохо флокулирующих дрожжевых клеток (более 1,5 млн в 1 см3). Осветление пива этим способом основано на использовании центробежной силы. Сепаратор для осветления пива отличается от сепаратора для осветления сусла конструкцией барабана: для осветления сусла применяют камерный барабан, а для пива — та- рельчатый. При осветлении пива на сепараторах повышается его темпера- тура, поэтому перед сепарированием пиво рекомендуется охлаж- дать до 0,5 °C. Один раз в неделю сепараторы разбирают и подвергают полной очистке и мойке на специальных моечных машинах с применени- ем дезинфицирующих веществ — содового раствора и раствора четвертичных аммонийных оснований. При осветлении пива на сепараторе потери пива весьма незна- чительны, так как объем пространства в сепараторе очень мал по сравнению с объемом пива, пропускаемым через него за одну или две смены. В настоящее время находят применение импульсные сепарато- ры с автоматическим удалением осадка без остановки сепаратора. Скорость вращения барабанов современных сепараторов для пива не менее 4000—5000 мин'1. Преимущества сепарирования: снижение производственных потерь пива, более легкий переход от пива одного сорта к пиву другого сорта. Фильтрование пива. Наиболее эффективным является фильтро- вание через намывной слой фильтрующего материала, а также че- рез фильтр-картон. В намывных фильтрах в качестве фильтрую- щего материала чаще всего используют диатомитовые порошки. Диатомитовые порошки механически задерживают частицы мути (смолы, белковые вещества и др.). Их готовят из сырого диа- томита, который представляет собой остатки кремнистых панци- рей одноклеточных микроскопических водорослей — диатомий. Чем чище диатомит и чем больше в нем неразрушенных пан- цирей, тем лучше его фильтрационная способность. Наиболее ценная и основная составная часть диатомита — гидратированный кремнезем. Порошок диатомита для фильтрования пива должен иметь примерно следующий химической состав (%): влаги — 0,15—5,0; SiO2 —90—99; А12О3 —0,36; Fe2O3 — 0,03; глины—0,34; песка — 2,0 (не более); S — 0,01. Диатомит не должен изменять вкус, цвет, pH пива. Установка для диатомитового фильтрования состоит из наполнителя; дозато- ра для смешивания пива с порошком; фильтра, в котором создает- ся фильтрующий слой; пивного насоса и насоса для принудитель- ного суспендирования порошка в ток (струю) пива. Отфильтро- ванное пиво перекачивают в сборники, работающие под избыточ- ным давлением 0,05 МПа. 200
Для фильтрования используют фильтры различной конструк- ции, но с одинаковым принципом работы. Сначала на фильтрую- щие элементы намывают опорный слой из грубого дисперсного диатомита толщиной 0,5—1,5 мм, а затем фильтрующий слой из тонкого диатомита толщиной 2—2,5 мм. Затем на фильтр подают пиво. В течение всего процесса фильт- рования в поток подаваемого на фильтр пива насосом-дозатором вносится определенное количество диатомитовой суспензии. Рас- ход диатомита составляет 80—200 г/дм3 в зависимости от каче- ственного и количественного состава твердой фазы пива. По дос- тижении максимального давления, обусловленного для данного типа фильтра (для большинства фильтров оно составляет 0,6 МПа), прекращают фильтрование, удаляют осадок, моют и пе- риодически дезинфицируют фильтр. Диатомитовые фильтры обеспечивают хорошее фильтрование и высокую производитель- ность при содержании дрожжевых клеток 0,15—0,3 млн в 1 см3 не- фильтрованного пива. При большем содержании дрожжей произ- водительность фильтра снижается, поэтому рекомендуется ис- пользовать сепараторы для предварительного осветления пива. Для осветляющего и стерильного фильтрования применяют картон. Размер пор картона для осветляющего фильтрования 10— 15 мкм, для стерильного — 3—5 мкм. Картон изготовляют из дре- весной и хлопковой целлюлозы с добавлением асбеста. Во избежа- ние попадания волокон асбеста в фильтр одна сторона картона имеет пористое полимерное покрытие. Карбонизация пива. Иногда пиво, профильтрованное любым из описанных выше способов, перед розливом недостаточно насы- щено углекислотой. В этом случае его подвергают карбониза- ции — искусственному дополнительному насыщению диоксидом углерода. Перед карбонизацией пиво охлаждают до 1 °C. Карбонизацию пива осуществляют следующим образом. Пиво, охлажденное до 1 °C, поступает по продуктопроводу в нижнюю часть колонки карбонизатора, где смешивается с СО2, поступаю- щим из распылителя. Затем пиво проходит через решетчатые дис- ки в колонку карбонизатора, заполненную фарфоровыми шарика- ми, где дополнительно насыщается газом. Пиво, насыщенное СО2> из карбонизатора поступает в сборник фильтрованного пива, где его выдерживают в течение 4—12 ч при температуре не выше 2 °C и давлении не ниже 0,05 МПа. Розлив пива. Это сложный технологический процесс, включаю- щий разнообразные операции: подготовку тары, розлив пива, уку- порку, оформление, бракераж и хранение готовой продукции. Пиво разливают в новые и оборотные бутылки вместимостью 0,5 и 0,33 дм3, изготовленные из прозрачного стекла оранжевого или зеленого цвета, способствующего сохранению качества пива; в новые полимерные бутылки вместимостью 0,5—2 дм3; в бочки, Кеги, автотермоцистерны. Бутылки должны быть стандартными, с 201
гладкой поверхностью, со стенками равномерной толщины, тер- мостойкими. Они должны выдерживать внутреннее давление не менее 0,08 МПа. Пиво разливают в бутылки на автоматических линиях производительностью 3, 6. 12, 24 и 36 тыс. бут/ч. Во избе- жание потерь СО2 используют изобарический принцип розлива. 7.6. КАЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПИВА Качество пива оценивают по органолептическим и физико-хи- мическим показателям. Пиво вырабатывают трех типов: светлое с экстрактивностью начального сусла от 8 до 23 % и цветом 0,4—1,5 ц. ед. (цветовая единица — это единица цвета пива, соответствующая цвету ра- створа, состоящего из 100 см3 воды и 1 см3 раствора йода концент- рацией 0,1 моль/дм3); полутемное с экстрактивностью начального сусла от 11 до 23 % и цветом 1,6—3,5 ц. ед.; темное с экстрактив- ностью начального сусла от 11 до 23 % и цветом 3,6 ц. ед. и более. По способу обработки пиво подразделяют на непастеризован- ное и пастеризованное. По органолептическим показателям пиво должно соответство- вать требованиям ГОСТ Р 51174—98, указанным в табл. 7.2. Таблица 7.2 Органолептические показатели пива Показатель Тип пива светлое | полутемное | темное Прозрачность Аромат и вкус Прозрачная жидкость без осадка и посторонних включений Чистый вкус и аромат сброженного солодового напитка с хмеле- выми горечью и ароматом без посторонних запахов и привкусов Соответствующие Солодовый вкус с Полный солодовый типу пива привкусом карамель- вкус с выраженным ного солода, соответ- привкусом карамель- ствующий типу пива ного или жженого со- лода, соответствующий типу пива В пиве с экстрактивностью начального сусла 15 % и выше должен присутствовать винный привкус В зависимости от экстрактивности объемная доля спирта в светлом пиве не менее 2,8—9,4 %, в полутемном и темном — 3,9— 9,4 %. Во всех типах пива массовая доля диоксида углерода должна быть не менее 0,33 %, высота пены — не менее 30 мм, пеностой- кость — не менее 2 мин; стойкость непастеризованного пива — не менее 8 сут, пастеризованного и обеспложенного — не менее 30 сут. Энергетическая ценность 30—85 ккал в 100 г пива в зависи- мости от экстрактивности начального сусла. Кислотность пива за- 202
висит от экстрактивности сусла и колеблется от 1 до 5 к. ед. (кис- лотная единица — это единица кислотности пива, эквивалентная 1 см3 раствора гидроксида натрия концентрацией 1 моль/дм3 на 100 см3 пива). Таблица 7.3 Балловая оценка качества пива Показатель Отлично Хорошо Удовлетвори- тельно Неудовлетво рительно Прозрачность 3 2 1 0 Цвет 3 2 1 0 Вкус 5 4 3 2 Хмелевая горечь 5 4 3 2 Аромат 4 3 2 1 Пенообразование 5 4 3 2 Для пива в бутылках Высота пены, мм, не менее 40 30 25 Менее 30 Стойкость, мин, не менее 4 3 2 Менее 2 Для пива в бочках (автоцистернах) Высота пены, мм, не менее 35 25 15 Менее 15 Стойкость, мин, не менее 3,5 2,5 1,5 Менее 1,5 Органолептическую оценку пива осуществляют по 25-балловой системе. При этом пиво, получившее суммарный балл 22—25, имеет оценку «отлично»; 19—21 — «хорошо»; 13—18 — «удовлетво- рительно» и 12 и менее баллов — «неудовлетворительно» (табл.
Глава 8 ТЕХНОЛОГИЯ ВИНОГРАДНЫХ ВИН Виноградное вино — напиток, подучаемый спиртовым броже- нием виноградного сока. Вино отличается многообразием вкусо- вых и ароматических свойств. Благодаря содержанию аминокис- лот, полифенолов, витаминов, минеральных солей и других по- лезных веществ вина относят к ценным гигиеническим напиткам, обладающим бактерицидными свойствами. При умеренном по- треблении вино положительно воздействует на организм человека. 8.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ВИН Одной из наиболее характерных особенностей винодельческой продукции является богатство ее ассортимента. Оригинальные ка- чества вкуса и букета многочисленных вин обусловлены не только спецификой сортов винограда и технологией, но и местными при- родными условиями, отличающимися большим многообразием. Для технологической ориентации во всем многообразии вин и регламентации их органолептической оценки необходима единая система в распределении различных вин по группам в соответ- ствии с их составом, типичными свойствами и особенностями тех- нологии. Такой системой является классификация вин. В России официально принята промышленная классифика- ция виноградных вин, в основу которой положены разработки и предложения, сделанные М. А. Ховренко, Н. Н. Простосердовым и М. А. Герасимовым. Все виноградные вина делятся на сортовые и купажные. Сорто- вые вина получают из одного сорта винограда, однако при их про- изводстве разрешается использовать не более 15 % винограда дру- гих сортов того же ботанического вида. Купажные вина получают из смеси сортов. Виноградные вина, как сортовые, так и купажные, подразделя- ются на тихие, концентрация диоксида углерода в которых не пре- вышает концентрации, равновесной атмосферному давлению, и пересыщенные диоксидом углерода, из которых СО2 выделяется в виде пузырьков. Тихие вина делятся на столовые, крепленые и ароматизиро- ванные. 204
Столовые вина получают без добавления спирта. Содержание спирта естественного брожения в них от 9 до 14 об.%. По содержанию сахара столовые вина подразделяются на сухие (не более 0,3 %), с остаточным сахаром (до 1 %), полусухие (1 — 2,5 %) и полусладкие (3—8 %). Крепленые вина готовят с использованием спирта-ректифика- та. По содержанию спирта крепленые вина бывают крепкие (17— 20об.%, в том числе содержащие спирт естественного брожения не менее 3 об.%) и десертные (12—17 об.%, в том числе содержа- щие спирт естественного брожения не менее 1,2 об.%). По содержанию сахара крепкие крепленые вина подразделяют- ся на сухие (1—3 %) и полусладкие (4—14 %), а десертные вина — на полусладкие (5—12%), сладкие (14—20%) и ликеры (21 — 35%). Ароматизированные вина готовят по специальной рецептуре с использованием спирта-ректификата, сахарозы и ароматических настоев отдельных частей различных растений. Ароматизирован- ные вина содержат 16—18 об.% спирта и 6—16 % сахара. Для тихих вин предусмотрены также три основные качествен- ные категории: ординарные, марочные и коллекционные. Ординарными называют вина, выпускаемые без выдержки. Марочные — это высококачественные вина, прошедшие пол- ный цикл созревания, выдержанные в бочках или бутылках. Ма- рочные вина вырабатывают из определенных сортов винограда в отдельных винодельческих районах или микрорайонах по специ- альной технологии. Срок выдержки марочных столовых вин не менее 1,5 лет, а крепких и десертных —не менее 2 лет. Коллекционные — марочные вина особо высокого качества, которые после окончания срока выдержки в бочках или круп- ных емкостях дополнительно выдерживают не менее 2 лет в бу- тылках. Все остальные немарочные вина называют ординарными. Ор- динарные вина, реализуемые в возрасте не старше 1 года, называ- ют молодыми, старше 1 года — выдержанными ординарными ви- нами. Вина, пересыщенные диоксидом углерода, делятся на игрис- тые, естественно насыщенные СО2 путем вторичного брожения в герметических сосудах под давлением, и шипучие, искусственно насыщенные СО2. В готовых игристых винах давление диоксида углерода должно быть не менее 150 кПа при температуре 10 °C, содержание спирта от 10,5 до 13,5 об.%, сахара в зависимости от марки до 12 %. К винам этой группы относят: Советское шампанское, получа- емое по специальной технологии путем вторичного брожения ви- номатериалов в бутылках, герметических резервуарах или системе Резервуаров; Советское шампанское выдержанное, получаемое 205
путем вторичного брожения тиражной смеси в бутылках и выдер- жанное в них не менее 3 лет; игристые вина, получаемые путем вторичного брожения купажей в герметических сосудах и отлича- ющиеся от шампанского по органолептическим показателям — цвету, аромату и вкусу. Игристые вина бывают общепринятых марок (красное, розо- вое, мускатное) и специальных марок, утвержденных для отдель- ных винзаводов и вырабатываемых по специальным технологи- ческим инструкциям; натуральные полусладкие игристые вина, получаемые сбраживанием виноградного сока в герметически зак- рытых сосудах по технологии, утвержденной для каждой марки вина, содержащие 9—11 об.% спирта и 3—5 % сахара. Вина газированные, или шипучие, искусственно насыщенные пищевым диоксидом углерода, содержат 9—12 об.% спирта и 3— 8 % сахара. В готовых газированных винах давление СО2 должно быть не менее 100 кПа при температуре 10 °C. 8.2. ДЕГУСТАЦИОННАЯ ОЦЕНКА ВИНА При дегустации оцениваются следующие основные показатели: прозрачность, цвет, букет, вкус и типичность вина. При дегуста- ции шампанских и других игристых вин вместо типичности оце- нивается так называемый мусс. Под муссом понимают совокуп- ность типичных для этих вин качеств: пенистость, игристость, на- сыщенность СО2, давление в бутылке. Дегустационную оценку виноградных вин проводят по 10-балловой системе, которая включает пять показателей со следующими максимальными бал- лами: прозрачность и цвет—по 0,5; букет —3; вкус —5; типич- ность (мусс) вина — I. Общий дегустационный балл опробуемого образна вина опре- деляется суммой баллов по показателям. Наивысшую оценку — 10 баллов могут получить вина, безупречные во всех отношениях, отвечающие «идеалу» дегустатора в отношении данной категории вина. Вина выдержанные высокого качества получают оценку 9 баллов. Вина выдержанные хорошего качества или молодые высо- кого качества — 8 баллов. Оценка 7 баллов отражает удовлетвори- тельные качества выдержанных вин или задатки развития хоро- ших качеств у молодых вин. Вина молодые удовлетворительного качества получают оценку не выше 6 баллов. Более низкая оценка (менее 6 баллов) указывает на наличие пороков и недостатков или на заболевание вина. Оптимальная температура вин (°C) в момент дегустации для иг- ристых 10—12, белых столовых 12—14, красных столовых 14—16, десертных 15—16, крепких 13—15. 206
8.3. СТАДИИ ВИНОДЕЛИЯ Технология виноградных вин состоит из трех основных стадий: получения виноградного сусла, брожения виноградного сусла или мезги, обработки и выдержки вина. Получение виноградного сусла. Сусло получают прессованием целых гроздей или раздавленных виноградных ягод после отделе- ния от них гребней. Виноград должен быть доставлен на винзавод не позднее чем через 4 ч после его сбора, так как вытекающий из поврежденных ягод сок легко сбраживается и закисает. Ягоды раздавливают для облегчения выделения сока и повыше- ния его выхода. После дробления ягод проницаемость их тканей резко увеличивается и диффузионные процессы ускоряются. Сте- пень измельчения ягод при дроблении выбирается в зависимости от требований, предъявляемых к составу вина той или иной ти- пичности. В производстве столовых вин, а также шампанских, хе- ресных и некоторых других малоэкстрактивных виноматериалов дробление виноградных ягод проводят в наименее интенсивном механическом режиме, чтобы избежать сильного нарушения кле- точной структуры ягод и исключить чрезмерный переход в сусло из кожицы экстрактивных веществ, особенно фенольной приро- ды, которые ухудшают типичность и качество таких вин. При по- лучении виноматериалов для высокоэкстрактивных вин (напри- мер, Токая. Кагора, Портвейна, Мадеры) ягоды дробят в наиболее интенсивном механическом режиме, иногда даже с растиранием кожицы, что способствует обогащению вина экстрактивными ве- ществами. Во всех случаях при раздавливании ягод исключают деформа- цию и дробление семян, так как переход в сусло излишнего коли- чества содержащихся в них веществ (конденсированных полифе- нолов) ухудшает вкусовые качества вина. Отделение гребней от ягод, как правило, обязательно, так как из зеленых гребней в сус- ло могут перейти вешества, сообщающие вину неприятный травя- нистый (гребневой) привкус, а также дубильные вещества (поли- фенолы), придающие вину излишнюю грубость и терпкость. Осо- бенно неблагоприятно на качество вина влияют гребни винограда, пораженного грибными болезнями или гнилью. Гребни не отделя- ют только при получении некоторых высокоэкстрактивных вин специального типа, в основном в южных винодельческих районах, где гребни хорошо вызревают и в клеточных тканях содержится мало сока. В результате дробления получают мезгу. Мезга — основной полупродукт, который поступает на даль- нейшую переработку для выделения из него сусла и получения вина. Виноградная мезга представляет собой грубую суспензию, состоящую из двух резко разграниченных фаз: жидкой — сусла и твердой — кожицы и семян. Семена технически зрелого винограда Достаточно твердые, а кожица упругая, благодаря чему обеспечи- вается хорошее дренирование всей массы мезги и создаются бла- 207
гоприятные условия для выделения из нее сока. Полученная при дроблении винограда мезга подвергается раз- личным видам обработки, в результате чего происходят экстраги- рование растворимых веществ и обогащение ими жидкой фазы, а также окисление содержащихся в ней веществ, главным образом фенольной природы. Для этого применяют различные технологи- ческие приемы: настаивание на мезге, спиртование мезги, обра- ботку теплом, ферментацию мезги с внесением ферментных пре- паратов и др. Эти приемы дают возможность изменять состав и технологические свойства мезги и содержащегося в ней сусла в нужном направлении для формирования типичности и качества будущих вин, а также облегчают выделение из мезги сусла и повы- шают его выход. Виноградная мезга содержит до 80 % сока. Этот сок выделяют из мезги сначала стеканием под действием силы тяжести, а затем прессованием. В результате стекания из мезги выделяется в сред- нем 55—60 % сусла от общего его выхода. Это сусло, называемое суслом-самотеком, по химическому составу и технологическим свойствам представляет собой самую ценную фракцию, из кото- рой получают наиболее высококачественные вина. Для отделения оставшегося сусла мезгу подвергают прессованию. Прессовое сус- ло отличается от сусла-самотека. Оно содержит меньше сахара, больше фенольных и азотистых веществ. Прессовое сусло 1-го давления используют полностью или частично для получения ма- рочных вин. Прессовое сусло 2-го давления и частично 1 -го давле- ния идет на ординарные и крепленые вина. Прессовое сусло 3-го давления, имеющее наиболее низкое качество, применяется в производстве крепких ординарных вин. Виноградные выжимки поступают на специальную переработку для получения спирта и винно-кислотного сырья. Получаемое сусло для отделения из него взвешенных частиц направляют на осветление. От полноты освет- ления сусла в значительной мере зависит качество будущего вина. В зависимости от назначения получаемого виноматериала и конк- ретных технологических условий применяют различные способы осветления сусла: отстаиванием, центрифугированием, электро- флотацией и др. Одно из основных технологических условий нор- мального осветления сусла — исключение забраживания Для его предупреждения применяют сульфитацию, охлаждение сусла или комбинацию этих двух приемов. Желательны низкие дозировки SO2 (50—75 мг/дм3) и охлаждение до 10—12 °C. Брожение виноградного сусла. Спиртовое брожение — основной технологический процесс виноделия. Вещества, образующиеся в результате спиртового брожения, сообщают продукту характерные особенности, свойственные вкусу и букету вина. В производстве крепленых вин сахар сбраживают частично, в производстве сухих вин — полностью. В России установлены обязательные мини- мальные нормы спирта, получаемые в результате естественного 208
брожения: для крепких вин не менее 3 об.%, для десертных — не менее 1,2 об.%. Брожение проводят на чистых культурах винных дрожжей. На заводах дрожжевые разводки готовят путем постепенного наращи- вания биомассы активных клеток чистой культуры в количестве, достаточном для сбраживания всего сусла или мезги, поступивших на брожение. В приготовленной разводке концентрация дрожже- вых клеток должна быть 100—150 млн/см'3, количество почкующих- ся клеток — 30—50 %, мертвых — 5 %. Расход дрожжей разводки для сбраживания сусла 1—3 %, для мезги 3—5 %. Оптимальная техноло- гическая температура брожения сусла в производстве белых столо- вых марочных вин и шампанских виноматериалов 14—18 °C. Для большинства вырабатываемых вин температура брожения сусла не должна превышать 20—22 °C. От температуры брожения сусла зависят состав получаемого вина и продолжительность бро- жения. Например, время, необходимое для сбраживания сахара при получении сухих вин, при температуре брожения 20—22 °C составляет 5—6 сут, при 17—18 °C — 9—10, при 10 °C — 20 сут и бо- лее. Применяются три основных способа брожения виноградного сусла, стационарный, доливной и непрерывный. Стационарный способ брожения состоит в том, что определен- ный объем сусла сбраживается с начала и до конца в одном бро- дильном резервуаре. Доливной способ брожения проводят в крупных резервуарах, но не в постоянном объеме исходного сусла, а при периодических доливках новых его порций. Для непрерывного брожения применяют бродильные установ- ки, состоящие из нескольких последовательно соединенных ре- зервуаров. В условиях регламентированного потока бродящего сусла улучшаются условия жизнедеятельности дрожжей, что ин- тенсифицирует процесс сбраживания сахара. Брожение сусла на мезге. Применяют при производстве красных вин, а также белых крепленых вин с большой экстрактивностью При брожении сусла на мезге преследуется цель не только сбра- живания сахара, но и экстрагирования фенольных, азотистых и других веществ из кожицы и семян. Для интенсификации процес- сов экстрагирования брожение сусла на мезге проводят в откры- тых или закрытых резервуарах, в специальных аппаратах периоди- ческого и непрерывного действия при температуре 28—30 °C. Выдержка виноматериалов. Это ответственный технологичес- кий процесс, в результате которого формируются вкус и букет, ха- рактерные для вина данной типичности, вино осветляется и ста- новится стабильным к помутнениям. При выдержке в вине проис- ходят различные физические и биохимические процессы, харак- тер и интенсивность которых изменяются на отдельных стадиях выдержки. Изменить ход этих процессов можно путем технологи- ческих обработок. 209
Основными физическими процессами, протекающими при вы- держке виноматериалов, являются осаждение взвешенных частиц, образующихся при переходе некоторых веществ в нерастворимое состояние, и испарение летучих компонентов вина. Наибольшее испарение происходит из деревянных емкостей, наименьшее — из металлических. В результате испарения уменьшается объем вы- держиваемого вина, повышается концентрация экстрактивных ве- ществ и снижается содержание летучих компонентов. Из биохимических процессов наибольшее значение имеют окислительно-восстановительные реакции, в результате которых развиваются букет и вкус вина. В зависимости от типичности по- лучаемого вина, которая определяется в основном степенью окис- ленное™ его компонентов, выдержку виноматериалов ведут при различных условиях кислородного режима и температуры. Так, при выдержке столовых вин, для которых наличие окисленных то- нов во вкусе и букете недопустимо, доступ кислорода воздуха ис- ключают или максимально ограничивают. При выдержке винома- териалов для крепких вин, наоборот, создают благоприятные ус- ловия для протекания окислительных процессов. Выдержку этих виноматериалов проводят в аэробных условиях при более высокой температуре (60—65 °C) с дозированием определенных количеств кислорода. В процессе выдержки виноматериалы подвергают следующим технологическим обработкам: доливке, переливке, стабилизации, эгализации и купажированию. Цель доливки вина — исключить образование свободного про- странства над вином, заполненного воздухом, который может вы- зывать излишнее окисление и развитие аэробных микроорганиз- мов, приводящих к порче вина. Для доливки используют тот же виноматериал, что и доливаемый, или более обработанный, чтобы не нарушить уже установившегося в них физико-химического рав- новесия. Переливку проводят для отделения осветленного вина от вы- павших осадков и обеспечения оптимального кислородного режи- ма для его созревания. Молодые вина переливают чаще, чем вы- держанные. На начальной стадии обработки виноматериала, когда необходимо интенсифицировать окислительные процессы, прово- дят открытые переливки. На втором году выдержки и в дальней- шем проводят закрытые переливки, при которых либо ограничи- вают, либо исключают контакт вина с воздухом. Одно из основных требований, предъявляемых к готовым ви- нам, — обеспечение стабильной прозрачности в течение длитель- ного времени Для придания винам стабильности при выдержке их подвергают фильтрованию, оклейке, воздействию тепла и хо- лода. Такая обработка ставит своей целью ускорить выделение из молодых вин избытка нестойких коллоидных веществ, фенольных и азотистых соединений, полисахаридов, металлов и других ком- 210
понентов, способных в дальнейшем выделиться в осадок, а также предупредить возможные помутнения в готовых винах из-за поро- ков и болезней. В качестве фильтрующих материалов применяют бельтинг, капрон, асбест, целлюлозу, диатомит и специальные марки филь- тра-картона. Для удаления из вина катионов железа и других тя- желых металлов проводят обработку гексациано-(П)-ферратом ка- лия. Для осветления и стабилизации вин широко используется ок- лейка белковыми материалами. Оклейка состоит в том, что в виноматериал вводят в строго оп- ределенной пропорции раствор оклеивающего вещества. Для ок- лейки применяют желатин, рыбный клей, яичный белок, альбу- мин, казеин и др. В вине, обработанном оклеивающими вещества- ми, образуются и выпадают обильные хлопьевидные осадки с сильно развитой поверхностью, которые сорбируют и увлекают с собой взвеси вина и клетки микроорганизмов. Через 2—4 нед пос- ле оклейки вино становится прозрачным и его снимают с осадка. Вкус вина вследствие уменьшения содержания дубильных веществ становится мягче. Эгализацией называется смешивание молодых вин одного сор- та для достижения однородности вин, которое проводят в процес- се первой переливки. Купажирование предусматривает смешивание различных вино- материалов и других компонентов в соотношениях, предусмот- ренных рецептурой для каждого типа вина. Его применяют для исправления недостатков тех или иных вин и получения опреде- ленного типа вина, отвечающего установленным стандартам. При получении коллекционных вин лучшие марочные вина после розлива в бутылки дополнительно выдерживают не менее 2 лет в бутылках. При этом в вине формируются и получают свое полное развитие букет и вкус, характерные для старых вин. Бу- тылки с винами, подлежащими длительной выдержке, укупорива- ют корковыми пробками высокого качества. Для того чтобы на наружном срезе пробки не развивались плесень и личинки проб- ковой моли, ее покрывают слоем специальной смолки. Выдержку вин в бутылках ведут в сухих, хорошо проветривае- мых помещениях с постоянной температурой. Белые столовые вина выдерживают при температуре 8—12 °C, красные столовые и Десертные — при 14—16, крепкие — при 16—18 °C и выше. Бутыл- ки укладывают на стеллажи в горизонтальном положении, следя затем, чтобы внутренняя поверхность пробки смачивалась вином. В процессе выдержки из вина выпадают осадки вследствие поли- меризации антоцианов и других соединений фенольной природы, -эти осадки уплотняются и пристают к поверхности стекла буты- лок. Поэтому коллекционные вина после бутылочной выдержки перед реализацией подвергают декантации. 211
8.4. ТИПЫ ВИНЗАВОДОВ В зависимости от производственного назначения различают три типа винзаводов. Винзавод первичной переработки характеризуется тем, что пе- реработка винограда на этом заводе заканчивается получением молодого вина. За 2—3 мес до начала сезона виноделия следующе- го года все вина с завода удаляют Вина, полученные непосред- ственно на заводах первичного виноделия, называются виномате- риалами. На винзаводе вторичного виноделия молодые вина, получен- ные с винзаводов первичной переработки, проходят дальнейшую выдержку и обработку. Конечным продуктом такого завода явля- ется вино, готовое к реализации. Выдержанное установленный срок и осветленное вино разливают на разливочных машинах. Вино для оптовой реализации разливают в бочки, а для розничной продажи — в бутылки. Третий тип завода включает оба типа. Заводы этого типа распо- лагают оборудованием как для первичной переработки винограда, так и для его обработки и выдержки. 8.5. ТЕХНОЛОГИЯ СТОЛОВЫХ ВИН Столовые вина получают в результате полного или частичного сбраживания содержащегося в сусле сахара без добавления спирта. Большинство этих вин имеют крепость 9—13 об. % и кислотность 5—8 г/дм3. При полном выбраживании сахара готовят сухие вина, при частичной — столовые полусухие и полусладкие. Белые сухие вина. Белые сухие вина, как правило, характеризу- ются светло-желто-соломенным цветом, нежным вкусом, тонким ароматом без терпкости и грубости. Сбор винограда для белых столовых вин проводят при опти- мальной сахаристости сока ягод 18—20 % и титруемой кислотнос- ти 7—9 г/дм3. При таких показателях сырья вино получается пол- ным, с гармоничным вкусом, хорошо выраженным ароматом, дос- таточно устойчивым к заболеваниям. Переработку винограда ведут в наиболее мягком механическом режиме, полностью исключающем перетирание кожицы, а также раздавливание и измельчение гребней, из которых могут извле- каться конденсированные формы полифенолов и другие нежела- тельные вещества, придающие вину грубость и неприятные при- вкусы. Соприкосновение твердых частиц винограда с отжатым соком и сока с воздухом должно быть по возможности мини- мальным, чтобы избежать окисления сока и обогащения его из- бытком экстрактивных веществ. Сусло перед брожением должно быть хорошо осветлено, так как окислительные ферменты, аб- 212
сорбированные на частицах взвесей, обладают особенно высокой активностью. Однако при недостаточном содержании экстракта (14—15 г/дм3 и меньше) полезно проводить настаивание сусла на мезге и тепловую обработку части мезги для получения гармонич- ного вина. При брожении сусла регулируют температуру и поддерживают ее на определенном уровне (14—18 °C), чтобы избежать потерь ароматических веществ и предотвратить накопление избытка азо- тистых соединений, которые снижают устойчивость вин к помут- нениям и заболеваниям. По этой же причине молодые сбродив- шие виноматериалы для белых столовых вин своевременно и быс- тро отделяют от дрожжевого осадка, чтобы продукты автолиза дрожжевых клеток не перешли в вино. Одно из основных требований, предъявляемых к производству белых столовых вин, — предохранение их от окисления кислоро- дом воздуха и обеспечение низкого уровня окислительно-восста- новительного потенциала на всех стадиях технологического про- цесса. С этой целью в технологии вина ограничивают контакт сусла и вина с воздухом. В результате значительно снижаются абсорбция и хемосорбция кислорода воздуха и, как следствие, уменьшаются скорость и глубина окислительных процессов, протекающих в сусле и вине. Широко применяют также диоксид серы, который действует как регулятор окислительно-восстановительных процессов и по- нижает ОВ-потенциал в случае некоторого избытка кислорода, поступающего в вино. Применение SO2 с одновременным тща- тельным предохранением вина от контакта с воздухом обеспечи- вает получение вин малоокисленного типа. Для уменьшения степени окисленности белых столовых вин можно применять способ медленного брожения сусла на протяже- нии 20—30 сут при температуре 18 °C и повышенном до 500 кПа давлении с последующей обработкой виноматериалов в бескисло- родных условиях. Рекомендовано также брожение при низкой температуре (14—17 °C) с легкой аэрацией в начале процесса и с ранним отделением молодого вина от дрожжей. Снижать тон окисленности и предупреждать его появление можно с помощью ферментных препаратов, получаемых из оса- дочных дрожжей. Массовое производство белых столовых вин в России основано на технологических схемах, в которых используются поточные ли- нии переработки винограда и обеспечивается широкое примене- ние средств механизации и автоматизации отдельных процессов (рис 8.1). После точного учета количества поступившего винограда и ин- спекции его качества по сортовому и химическому составу вино- град из контейнера 1 выгружают в приемный бункер с дозирую- 213
Рис. 8.1. Аппаратурно-технологическая схема производства белых столовых виноматериалов щим шнеком-питателем 2, который подает его в дробилку-гребне- отделитель валкового типа 3, работающую в режиме, исключаю- щем сильное измельчение кожицы и гребней. Отделенные гребни, выходящие из дробилки, подают транспортером на весы и после взвешивания в специальный приемный бункер. Затем гребни прессуют на шнековом прессе для извлечения гребневого сусла. Мезгу подают мезгонасосом 4 на стекатель 6 для выделения из нее сусла-самотека. В процессе транспортирования мезгу сульфи- тируют с помощью сульфодозатора 5. Сусло-самотек отбирают на стекателях, обеспечивающих быстрое отделение сусла и достаточ- но высокое его качество для белых столовых вин. Сусло-самотек направляют в сборники 8, а стекшую мезгу прессуют на специаль- ных прессах 7. Прессовые фракции сусла поступают в соответству- ющие сборники 8. Для получения белых столовых вин используют только сусло- самотек, отбираемое в количестве не более бОдал из 1 т винограда. Сусло, полученное на шнековых прессах, идет на приготовление ординарных крепленых виноматериалов. Сусло из сборников 8 подают насосами 9 на сульфитацию, а затем обрабатывают в потоке бентонитом (для этого служат доза- торы 10) или другими сорбентами. Если сусло-самотек отстаивают 214
при низкой температуре с предварительным охлаждением, то его сульфитируют пониженными дозами SO2, а бентонитовую суспен- зию не вводят. При охлаждении сусла до 10—12 °C время отстаи- вания снижается с 20—24 до 10—12 ч. При добавлении флокулян- тов оно может быть уменьшено до 4—6 ч. В процессе отстаивания предварительно охлажденного сусла контролируют температуру и содержание в нем взвесей. В момент снятия с осадка в осветленном сусле взвесей должно быть не более 40 г/дм3, в прессовом сусле — 50 г/дм3. Осветленное сусло из от- стойных резервуаров или из осветлителя непрерывного действия /7 подают в головные резервуары бродильных аппаратов 14. В за- висимости от типа аппарата брожение проводят в статических ус- ловиях или в потоке на дрожжах чистой культуры. В процессе не- прерывного брожения сусла контролируют его подачу в головные резервуары бродильных аппаратов и обеспечивают его постоян- ный расход. Содержание остаточного сахара на выходе из последнего резер- вуара 12 бродильного аппарата для сухих столовых виноматериа- лов составляет 1—3 %. Такой виноматериал направляют в емкости 13 для дображивания и осветления. При необходимости в них предварительно вводят спирт с помощью дозатора 15. После полного прекращения брожения молодое вино снимают с дрожжей (первая переливка), сульфитируют из расчета 25— 30 мг/дм3 и направляют в емкости 13 для выдержки или хранения. Вторую переливку проводят обычно через 1 — 1,5 мес после снятия с дрожжей также с введением 25—30 г/дм3 SO2. В процессе хране- ния емкости систематически доливают не реже 1 раза в неделю, чтобы в них не было газовых камер и поверхность вина не сопри- касалась с воздухом. Виноматериалы, предназначенные для ординарных сухих сто- ловых вин, для придания им розливостойкости подвергают даль- нейшим обработкам. Технологическую схему обработки винома- териалов выбирают в зависимости от их особенностей и физико- химического состояния. В зависимости от характера помутнений и способа обработки осветление проводят в течение 8—20 сут. Об- работанные вина оставляют в покое на 10 сут в условиях, исклю- чающих доступ воздуха, фильтруют на фильтрах, обеспечивающих полную прозрачность вина с блеском, и разливают в бутылки для реализации. Для предупреждения окисления содержание свободной серни- стой кислоты в белых столовых винах перед подачей на розлив до- водят до 20 мг/дм3. С этой же целью из вина перед розливом уда- ляют растворенный кислород путем смешивания вина в потоке с инертными газами (смесью азота и диоксида углерода) на специ- альной установке, вмонтированной в линию подачи вина на роз- лив. Газы поступают в вино в диспергированном состоянии в виде мелких пузырьков через специальную насадку-распылитель. Кис- 215
лород, растворенный в вине, диффундирует в газовые пузырьки и вместе с ними удаляется из вина. Для повышения стойкости столовых вин к микробиологичес- кому помутнению применяют горячий розлив и бутылочную пас- теризацию. Розливу в условиях повышенной температуры подле- жат только хорошо обработанные розливостойкие вина. При горя- чем розливе вино нагревают в теплообменнике до температуры 50 ± 5 °C и разливают на специальных машинах в бутылки, пред- варительно подогретые до температуры не ниже 40 °C. Для пасте- ризации вина в бутылках используют бутылочные пастеризаторы. Температуру вина в бутылках в камерах максимального нагрева поддерживают на уровне 50 + 5 °C. Красные сухие вина. Существенно отличаются от белых по цве- ту, химическому составу, вкусовому сложению и букету. Красное сухое вино представляет собой особый тип вина со специфичны- ми для него органолептическими показателями и диетическими свойствами. Характерные качества красных вин обусловлены тем, что в их сложении участвуют не только вещества виноградного сока, но и вещества в основном фенольной природы, которые со- держатся в кожице и семенах. Фенольные вещества придают крас- ному вину характерные для него цвет и вкусовую полноту. Эти ве- щества являются вместе с тем важными компонентами окисли- тельно-восстановительной системы вина, вследствие чего красные вина способны потреблять значительно большее количество кис- лорода без отрицательного влияния на их качество. Цвет красных вин — рубиновый, более или менее темный в за- висимости от сорта винограда, типичности вин и местных усло- вий. С возрастом цвет красных столовых вин изменяется, в проти- воположность белым столовым винам становится менее интен- сивным и меняет свои оттенки. По интенсивности и особеннос- тям цвета можно ориентировочно определить возраст красных вин или отличить выдержанные и старые вина от молодых. Цвет молодых красных вин более интенсивный, чем выдержанных и старых. У молодых вин он имеет сине-фиолетовый и сине-голубой оттенки. В процессе выдержки эти оттенки исчезают и заменяют- ся последовательно вишневыми, гранатовыми и рубиновыми то- нами. У старых вин, прошедших многолетнюю выдержку, в окрас- ке появляются кирпичные и коричневые тона. Для производства красных вин основное значение имеет под- бор сортов винограда с большим технологическим запасом крася- щих веществ. Для лучших сортов установлена норма технологи- ческого запаса антоцианов 450—600 мг на 1 кг винограда. Интен- сивность цвета красных вин зависит также от pH: с понижением pH она увеличивается, поэтому добавление винной или лимонной кислот к низкокислотным винам повышает устойчивость их ок- раски. Энотанин, взаимодействуя с антоцианами, образует полимер- 216
ные соединения, существенно изменяющие цвет вина, обуслов- ленный антоциановым комплексом. С увеличением концентра- ции танина цвет становится интенсивнее и переходит от малино- вого и светло-рубинового в темно-рубиновый. В процессе брожения на мезге часть антоцианов, извлекаемых из кожицы, сорбируется на ее частицах и клетках дрожжей, окис- ляется в присутствии о-дифенолоксидазы, взаимодействует с бел- ками, конденсируется и вступает в другие реакции, в результате чего выпадает в осадок и уносится из среды с оседающими части- цами. По вкусу красные вина сильно отличаются от белых. Особен- ности вкусового сложения красных вин обусловлены высокой их экстрактивностью, и в первую очередь большим содержанием фе- нольных веществ, извлекаемых из кожицы и семян винограда. Со- держание экстрактивных веществ в красных винах намного пре- вышает содержание их в белых винах. В процессе переработки ви- нограда и брожения на мезге в вино переходит 50—75 % феноль- ных веществ от всего технологического запаса их в винограде с учетом танина семян. Значительную часть фенольных соединений винограда составляют дубильные вещества (энотанин и др.), кото- рые придают вкусу вина полноту и терпкость. Однако во вкусе высококачественных вин полностью отсутствует неприятная вя- жущая горечь. Красные вина обладают более высокой, чем белые, биологической активностью. В них в большом количестве содер- жатся витамины, лецитины, ферменты, минеральные и другие ве- щества, полезные для организма. Виноматериалы для красных столовых вин получают следую- щими способами: брожением на мезге; экстрагированием мезги в потоке; нагреванием мезги или гроздей винограда и сбраживани- ем окрашенного сусла; обработкой мезги ферментными препара- тами; брожением мезги в условиях повышенного давления СО2; брожением целых гроздей винограда. Виноград перерабатывают на поточных линиях с раздавливани- ем ягод и отделением гребней на дробилках-гребнеотделителях ударно-центробежного типа. Если перерабатывают виноград с не- достаточным содержанием дубильных веществ, в мезгу разрешает- ся добавлять хорошо вызревшие гребни. Мезгу сульфитируют из расчета 75—100 мг SO2 на 1 дм3 и добавляют ферментные препа- раты в количестве 0,005—0,015 % к массе сусла. После этого мез- гу обрабатывают в мезгоподогревателе при температуре 40—60 °C Для активации действия ферментов. Дальнейшая обработка мез- ги зависит от принятого способа получения красных вин: броже- нием на мезге, экстрагированием или термической обработкой мезги. Экстрагирование мезги проводят по способу Г. Г. Валуйко с со- трудниками в специальных экстракторах, которые могут работать по двум разным режимам в зависимости от технологических усло- 217
Рис. 8.2. Аппаратурно-технологическая схема производства красных столовых виноматериалов экстрагированием мезги иа линии ВПКС-10А: 1 — бункер-питатель; 2—дробилка-гребнеотделитель; 3 — мезгонасос; 4 — сульфодозатор; 5— экстрактор 6 —пресс; 7—насосы для сусла; 8— напорный резервуар; 9—сборный резерву- ар; 10— накопительный резервуар; 11 — отстойный резервуар; 12— сборник-мерник вий. Первый режим предусматривает заполнение экстрактора мез- гой, отбор из экстрактора сусла-самотека в количестве 50 дал с 1 т винограда, сбраживание отобранного сусла в отдельных бродиль- ных установках и затем экстрагирование свежей мезги сброжен- ным суслом, которое многократно подают насосом через разбрыз- гиватель в верхнюю часть экстрактора — на шапку. Второй режим работы экстрактора состоит в следующем: мезгу после загрузки оставляют в покое до забраживания и начала формирования шап- ки, а затем проводят экстрагирование путем перекачивания бро- дящего сусла насосами из нижней части экстрактора в верхнюю. Второй режим применяют в тех случаях, когда суточное поступле- ние винограда на переработку меньше производительности двух экстракторов. Когда экстрактор загружают свежей мезгой, проэкстрагирован- ные частицы вытесняются на поверхность и образующаяся шапка специальным транспортером подается в прессы. Продолжительность процесса экстрагирования мезги зависит от ее предварительной обработки. Если мезгу подогревали до 40— 50 °C, то для экстрагирования требуется 2—4 ч, без термической обработки — 8—10 ч. Аппаратурно-технологическая схема произ- водства красных столовых виноматериалов с экстрагированием мезги на линии ВПКС-10А показана на рис. 8.2. 218
Полученное после экстрагирования сусло-самотек направляют для дображивания в крупные резервуары, а затем используют в производстве красных столовых виноматериалов. Сбраживание сусла проводят 1,5—2,0%-й разводкой селекционных чистых куль- тур винных дрожжей при температуре 16—30 °C. Вина, выброжен- ные при 27—30 °C, обладают фруктовым вкусом и более приятным ароматом. Выдержку и обработку красных столовых виноматериалов про- водят для улучшения их качества, обеспечения зрелого состояния, готового к розливу, сохранения достаточно интенсивного цвета. Антоцианы, обусловливающие характерный цвет красных ви- номатериалов, нестойки. В процессе выдержки они частично пе- реходят в нерастворимое состояние, образуя плотные осадки. Уже в первые 3 мес выдержки из красных виноматериалов удаляется до 50 % антоцианов. При выдержке происходит окислительная кон- денсация фенольных соединений, в результате чего образуются коричнево-красные продукты и вино приобретает коричневатый «луковичный» оттенок. В дальнейшем, претерпевая полимериза- цию, конденсированные антоцианы переходят в нерастворимое состояние. При гидролизе гликозидов антоцианов образуются не- стойкие антоиианиды, которые выпадают в осадок. Альдегиды также вступают в реакцию с антоцианами с образованием нера- створимых соединений, выпадающих в осадок. Сохранение цвета красных вин зависит также от применяемых технологических обработок. При обработке бентонитом из вино- материалов может удаляться до 40 % антоцианов, желатином — преимущественно продукты конденсации фенольных соедине- ний, имеющих коричневый цвет. Деметаллизация виноматериа- лов гексациано-(П)-ферратом калия снижает яркий красный отте- нок, в то время как при обработке трилоном Б окраска не изменяется. Обработка виноматериалов холодом вызывает осаж- дение нестойких фракций антоцианов, находящихся в коллоид- ном состоянии. При пастеризации интенсивность цвета красных столовых вин усиливается. То же происходит и при горячем роз- ливе вин вследствие перехода бесцветных лейкоантоцианов в ок- рашенные антоцианы. При выдержке красных вин фенольные соединения участвуют не только в образовании цвета и формировании вкуса, но и в раз- витии букета. При этом происходит окисление фенольных ве- ществ с образованием хинонных форм катехинов и других поли- фенолов, имеющих высокий окислительно-восстановительный потенциал. Эти формы полифенолов способны катализировать процесс окислительного дезаминирования аминокислот, в резуль- тате чего образуются альдегиды, обладающие приятным запахом, характерным для красных вин. Обработку марочных столовых красных вин проводят по утвер- жденным для них технологическим схемам. При сроке выдержки 219
не менее 2 лет на первом году делают купаж, или эгализацию, и одну открытую переливку, при необходимости обрабатывают ЖКС и фильтруют; на втором году проводят одну открытую и одну закрытую переливки. При сроке выдержки не менее 3 лет на первом году делают эгализацию и две или три открытые пере- ливки; на втором году —купаж, оклейку, одну открытую пере- ливку, при необходимости обрабатывают ЖКС и фильтруют; на третьем году — одну закрытую переливку и систематические до- ливки. Для стабилизации цвета красных вин в отдельных случаях раз- решается добавлять растительные камеди, которые предохраняют коллоидную фракцию красящих веществ антоцианов от коагуля- ции, а также танин, препятствующий выпадению антоцианов. 8.6. ТЕХНОЛОГИЯ КРЕПКИХ ВИН К специальным крепким винам относятся вина типа портвей- на, мадеры, хереса и др. При их формировании важную роль игра- ют окислительно-восстановительные процессы, а также карбо- нильные реакции. Вина типа портвейна. Вино этого типа было впервые приготов- лено в г. Порто, в северной части Португалии, откуда и пошло его название. В России вина типа портвейна изготовляют из раз- личных сортов винограда практически во всех винодельческих районах по оригинальной технологии, разработанной в Массанд- ре и Магараче. В ее основе лежат следующие технологические приемы: экстрагирование ароматических и экстрактивных веществ из твердых частей винограда путем настаивания сусла на мезге 18— 36 ч (для белых портвейнов), либо сбраживанием сусла на мезге до содержания остаточного сахара на 3—4 % больше, чем это предус- мотрено стандартами вина, либо тепловой обработкой мезги при 55—70 °C в течение 1 ч (для белых и красных портвейнов); тепловое воздействие на вино с ограниченным доступом возду- ха на солнечных площадках либо путем искусственного нагрева; выдержка в бочках либо металлических резервуарах в течение 3 лет с соответствующей обработкой (оклейка, переливки и др.). Для приготовления портвейнов виноград собирают при саха- ристости не ниже 18 %. После дробления и гребнеотделения мез- гу сульфитируют из расчета 100—150 мг/дм3, настаивают, либо подбраживают на чистой культуре дрожжей, либо нагревают и прессуют. Сусло-самотек и сусло прессовых фракций смешива- ют, спиртуют до 4 об. % и задают чистую культуру дрожжей. При остаточном сахаре 10—12 % содержание спирта в бродящем сусле доводят повторным добавлением спирта до 17,5—18,5 об. %. После осветления и до конца года проводят одну-две переливки со сня- 220
। нем с дрожжевого осадка. Такое же число переливок делают на втором году и одну на третьем. При выдержке в резервуарах де- лают на одну переливку больше. На первом году вино обрабаты- вают теплом путем нагревания в теплообменных аппаратах либо выдерживают на солнечных площадках в течение первых 2 лет. Такая технология используется при получении марочных порт- вейнов. Приготовление ординарных вин типа портвейна ведут по ус- коренной технологии с использованием тепловой обработки. При недостаточном содержании фенольных и азотистых соеди- нений в виноматериалы рекомендуется вводить до тепловой об- работки винно-спиртовые гребневые или выжимочные экстрак- ты и дрожжевые осадки либо их винно-спиртовые экстракты. В винах типа портвейна содержание спирта 17,5—19 об. %, сахаров 6-13%. Вина типа мадеры. Технология вин типа мадеры включает при- готовление виноматериалов, их мадеризацию и выдержку мадери- зованного вина. Тип вина получил свое название от о-ва Мадейры в Португалии. Основной операцией в технологии этого вина явля- ется термическая обработка — мадеризация, проводимая в услови- ях, обеспечивающих доступ к вину кислорода воздуха. Для этого бочки с вином выдерживают на солнечных площадках или в спе- циальных обогреваемых камерах. Для приготовления виноматериалов для мадеры используют европейские, а также местные сорта винограда, способные да- вать виноматериалы с повышенным содержанием экстрактивных веществ, в частности фенольных соединений. Наиболее часто применяют смесь сортов. Так, мадеру Массандра готовят из рав- ных частей сортов винограда Серсиаль и Вердельо. В небольших количествах добавляют также сорта Мальвазия и Альбильо крымский. Виноматериалы для мадеры готовят сбраживанием сусла на мезге, отделенной от гребней, и последующим его спиртованием. Мадерные виноматериалы могут быть получены также термови- нификацией — нагреванием мезги до 45—70 °C и выдержкой при этой температуре в течение 1—Зч, прессованием, сбраживанием полученного сусла и его спиртованием. Эти виноматериалы, как правило, лучше мадеризуются. Для приготовления мадеры используют сухие виноматериалы, виноматериалы с остаточным сахаром и сладкие виноматериалы. Сухие виноматериалы готовят полным сбраживанием сусла на мезге на чистой культуре дрожжей. Такое сбраживание обеспе- чивает наиболее полный переход в вино экстрактивных, в част- ности фенольных, веществ. Они могут быть получены спиртова- нием сусла-самотека и сусла первого давления либо смеси всех Фракций. Виноматериалы с остаточным сахаром получают спиртованием 221
не полностью сброженного на мезге сусла всех фракций. Их спир- туозность составляет 18—20 об. %, сахаристость — 3—5 %. Сладкие виноматериалы готовят спиртованием сусла после его осветления до 20 об. % либо после его частичного сбраживания. Их используют в купаже с основными виноматериалами, сбро- женными насухо. Виноматериалы мадеризуют, как правило, раздельно. Затем проводят купаж, который может повторно подвергаться тепловой обработке и последующей выдержке либо только выдерживаться. В практике виноделия принято два способа мадеризации. нагрева- нием вина в дубовых бочках или крупных стальных резервуарах, внутри которых уложены дубовые клепки. Мадеризацию вин в бочках проводят на солнечных площадках при температуре 28—35 °C в течение одного или двух, иногда трех (мадера Массандра) летних сезонов или в остекленных оранжере- ях при температуре 40—45 °C в течение 6—7 мес либо в искусст- венно обогреваемых помещениях — мадерной камере (45—70 °C). Продолжительность выдержки вина в мадерной камере определя- ется температурой. Так, ординарные мадеры готовят обычно вы- держкой вина в мадерной камере при 65—70 °C в течение 1 мес, качественных — при 45—50 °C около 6 мес. Вина типа хереса. Происхождение вина и его название связаны с испанским городом Херес-де-ла-Фронтера, расположенным в округе Кадикс южной провинции Андалусия. Технология перера- ботки винограда на хересные вина ничем не отличается от класси- ческой технологии белых столовых вин. Содержание спирта в го- товых виноматериалах 12—13 об. %. Особенность технологии получения хересных вин — гипсова- ние мезги сусла либо виноматериала. Расход гипса составляет 1,3—2 кг на 1 т винограда. Гипсование проводят для повышения содержания в вине эфиров винной кислоты, с которыми связаны специфические хересные тона вина, а также прозрачность и стой- кость напитка. Брожение сусла проводят на чистых культурах хересных плен- кообразующих дрожжей. Специфичность букета и вкуса хереса связана с деятельностью хересной дрожжевой пленки при выдер- жке вина в неполных бочках. При выдержке вина хересные расы дрожжей в аэробных усло- виях образуют на поверхности вина пленку, благодаря которой происходят значительные изменения химического состава, вино приобретает особые букет и вкус. Важную роль в этих изменениях играют окислительно-восстановительные, а также автолитические процессы. Хересные дрожжи легче окисляют этанол, чем глюкозу, что дает им возможность хорошо развиваться на поверхности сброженных субстратов, в частности на вине. Этанол окисляется до уксусного альдегида (5—10 %), большая часть (до 80 %) которо- го используется дрожжами полностью. 222
В процессе хересования происходят качественные и количе- ственные изменения органических кислот. Хересные дрожжи энергично потребляют органические кислоты, особенно летучие. Так, содержание уксусной кислоты при выдержке вина под плен- кой снижается на 70—90 %, нелетучих кислот — на 10—30 %. Хересные дрожжи интенсивно поглощают азотистые вещества, они способны также ассимилировать азот из воздуха. Хорошим источником азота для них являются аминокислоты. При их доста- точном количестве в вине повышается активность обмена веществ дрожжей, в частности использование этанола, глицерина и уксус- ной кислоты. Наиболее энергично дрожжи потребляют тирозин (до 77 %) и аланин (до 30 %). Поскольку аминокислоты являются источником высших спир- тов, альдегидов и других соединений, их превращения в процессе выдержки вина под пленкой имеют важное значение в формиро- вании аромата и вкуса хереса. Потребляемые дрожжами амино- кислоты вновь частично возвращаются в среду после автолиза дрожжей. Введение в вино дополнительных источников азота спо- собствует более быстрому росту пленки, накоплению в вине аль- дегидов, ацеталей, летучих эфиров, повышению активности фер- ментов (пероксидазы, эстеразы, p-фруктофуранозидазы), интен- сификации процесса хересования. Содержание глицерина, фенольных соединений, витаминов в процессе хересования уменьшается. Фенольные соединения аб- сорбируются белками плазмы дрожжей, поэтому дрожжи в винах, богатых танинами, отмирают. В результате пленка темнеет и осе- дает на дно. По этой причине в красных винах пленка хересных дрожжей может появиться лишь на короткое время либо совсем не образуется. В процессе хересования идет образование высших, а также ароматических спиртов, эфиров и лактонов. Для качественной оценки процесса хересования определяют содержание уксусного альдегида, а также отношение альдегид/ ацеталь. Само содержание уксусного альдегида не может служить в полной мере показателем качества хереса. Вместе с тем оно как суммарный показатель дает возможность охарактеризовать ход процесса хересования. Поэтому в существующих технологических инструкциях установлен предел его содержания как быстроопре- деляемый критерий, характеризующий с достаточной для произ- водственных целей точностью момент прекращения хересования и отбора вин Отношение альдегид/ацеталь представляет собой соотношение свободного уксусного альдегида и связанных его форм (диэтил- ацеталь), а также соединений уксусного альдегида с сахарами, фе- нольными веществами, соединениями, имеющими карбонильную группу. В выдержанных хересах это отношение приближается к единице. Его надо понимать как суммарный показатель, который с определенной условностью характеризует глубину протекания 223
биохимических процессов, следствием которых является накопле- ние продуктов, ответственных за хересный тон вина. Отношение альдегид/ацеталь = 1 характеризует оптимальный ход этих про- цессов, наиболее удачное сочетание образующихся при этом про- дуктов. Херес готовят купажированием виноматериалов, полученных в результате пленочного, беспленочного, глубинного и глубинно- пленочного способов хересования. Для изготовления хересных виноматериалов используют белые нейтральные сорта винограда или их смеси. Содержание сахара в винограде должно быть не ниже 18%. При pH сусла 3,5 и выше проводят гипсование винограда, мезги или сусла. После брожения молодые виноматериалы разделяют (классифицируют) по характеру, цвету и органолептическим по- казателям. Более легкие и светлоокрашенные направляют на про- изводство столового хереса, более полные и спиртуозные — сухого крепкого. Виноматериалы с наиболее интенсивной окраской и полнотой используют для приготовления крепкого и десертного хересов. После классификации проводят первую переливку, эга- лизацию и доспиртовывание виноматериалов спиртом-ректифи- катом или 50%-м спиртом и выдержанным сухим вином до 16— 16,5 об. % для пленочного метода и до 15,5—16 об. % для глубин- ного. Пленочный способ предусматривает выдержку вина под пленкой дрожжей в бочках или крупных резервуарах периоди- ческим методом, а также непрерывным в потоке. Получение хереса в резервуарах вместимостью 700—800 дал, не уступающего по своему качеству бочковому, было впервые осуще- ствлено М. А. Герасимовым и Н. Ф. Саенко. В дальнейшем был разработан и внедрен в производство способ ускоренного созрева- ния хереса в потоке в системе эмалированных резервуаров. Способ хересования вина в непрерывном потоке и установка для его осуществления были предложены Г. Г. Агабальянцем. Эта установка состоит из системы резервуаров конической формы, че- рез которые из напорного резервуара непрерывно поступает вино. Предварительно, до перевода установки на непрерывный поток, в каждом резервуаре на поверхности вина выращивают пленку хе- ресных дрожжей. Глубинный способ, или способ погружен- ных культур, состоит в культивировании хересных дрожжей во всем объеме вина при перемешивании. Такое культивирование вызывает интенсификацию окислительных реакций, процессов биосинтеза. Процесс хересования этим способом проводят в спе- циальных аппаратах-ферментаторах, заполненных на 7/8. Развод- ку хересных дрожжей вносят при перемешивании. Аппараты снабжены устройствами для аэрирования вина. Установки для непрерывного хересования вина глубинным 224
способом представляют собой систему резервуаров, в которых проводят аэробное культивирование хересных дрожжей. Процесс хересования ведут до накопления в вине 400 мг/дм3 альдегидов. При глубинном способе хересования ускоряется про- цесс образования альдегидов в вине, однако качество получаемых вин хуже, чем полученных пленочным способом. Беспленочный способ заключается в том, что сбро- женное молодое вино после доведения его крепости до 14,5— 14,6 об. % выдерживают на дрожжевых осадках в резервуарах, за- полненных на 20 %, в течение 4—5 мес. В результате в вине накап- ливается до 350—400 мг/дм3 альдегидов и до 100—120 мг/дм3 аце- талей. Глубинно-пленочный (комплексный) способ разработан НПО «Яловены» и Московским филиалом ВНИИВиВ «Магарач». Подспиртованный виноматериал вместе с дрожжевой разводкой подвергают глубинной ферментации в резервуарах, за- полненных на 80 %, при перемешивании и задаче кислорода. По накоплении 230—250 мг/дм3 альдегидов он направляется в уста- новку для хересования пленочным способом. Общая продолжи- тельность цикла хересования глубинно-пленочным способом со- ставляет примерно 1 мес. При этом в результате выдержки под пленкой хересного виноматериала, полученного глубинным спо- собом, качество его заметно улучшается. Купажирование хереса. В состав готового хереса входят херес- ные виноматериалы, полученные одним из описанных способов, а также сухие выдержанные и обработанные белые виноматериалы высокого качества (при изготовлении сухих столовых хересов), мистель, спиртованный виноматериал и колер. Мистель готовят купажированием обработанного сухого белого виноматериала, используемого для хересования, спирта-ректифи- ката, вакуум-сусла и колера. Его спиртуозность составляет 50 ± 5 об. %, сахаристость — 30 ± 5 %. При приготовлении мароч- ных вин мистель выдерживают 6 мес, ординарных вин — 2 мес. Спиртованный виноматериал готовят спиртованием обрабо- танного белого сухого виноматериала до 50 ± 5 об. %, колер — пу- тем нагревания вакуум-сусла в котлах с паром либо электричес- ким обогревом. Разбавленный затем хересным виноматериалом в соотношении 1 : 1 колер используют в купажах и для приготовле- ния мистеля. Купажирование хереса проводят в купажном чане. Затем купаж обрабатывают как марочное или ординарное вино. 8.7. ТЕХНОЛОГИЯ АРОМАТИЗИРОВАННЫХ ВИН Ароматизированные вина относятся к аперитивам — напиткам, возбуждающим аппетит. Такие напитки готовят во многих странах на базе вина или спирта. Ароматизирующим началом в аперитивах 225
служат настои из плодов, цветов, листьев, стеблей, корневищ та- ких растений, как полынь, чабрец, сельдерей, мирт, кардамон, гвоздика, имбирь, ревень, мускатный орех, кориандр, померанец и др Среди аперитивов, изготовляемых на базе вин, наибольшую из- вестность получили вермуты, имеющие горький вкус полыни. Их промышленное производство впервые было осуществлено в конце XVIII в. в Италии в г. Пьемонте (г. Турине). Этому способствовали высокое качество пьемонтских вин (мускатов) и близость альпий- ских лугов, растения которых нашли широкое применение для получения ароматизированных напитков. При изготовлении ароматизированных вин используют вино- материалы, спирт этиловый ректификованный, сахар, лимонную кислоту, колер и экстракты или настои из растительного сырья. Смеси ингредиентов, а также концентраты получаемых из них настоев широко используются в практике виноделия всех стран. В состав таких смесей входят наборы определенных групп растений, являющихся доминирующей основой, которая придает вину тот или иной характер. Например, для вермутов такой основой слу- жит полынный тон в аромате и вкусе. Другая часть ингредиентов призвана создавать фон, выгодно усиливающий специфические особенности напитка. Обычно для итальянского и французского вермутов наиболее часто использу- ют римскую полынь, цветы бузины, кориандр (плоды), шалфей, корку горького апельсина, растигор, майоран, василек, кардобе- недикт, хинную кору, корни дягиля, аира, девясила, калгана, ириса, горчавки, корицу, гвоздику, кардамон, мускатный орех и шафран. В качестве добавочных ингредиентов могут быть использованы чабрец, ямайский перец, ваниль, анис, розмарин, римская ромаш- ка, хмель, китайский ревень, цветы бузины, кора корня дикого граната, алоэ-сокотра и др. В нашей стране промышленное производство ароматизирован- ных вин было начато в 1946 г. Исследования ученых позволили рекомендовать наряду с импортными также составы отечествен- ных смесей как культурных, так и дикорастущих растений. При их подборе было уделено особое внимание поиску заменителей доро- гостоящего импортного сырья отечественным. Из культивируемых растений используют душицу обык