Pivovarennaya_inzheneria_ / Глава 6b

К недостаткам заторного фильтр пресса нового поколения следует отнести:

•очень узкий диапазон варьирования фракционного состава тонкого помола;

•повышенные энергозатраты на тонкое дробление солода по сравнению с грубым дроблением при использовании на производстве фильтрационного аппарата (на пример, удельные энергозатраты молотковой дробилки почти втрое превышают аналогичный показатель дробилки мокрого дробления нового поколения);

•зависимость эффективности работы фильтра от свойств фильтровальной ткани, главным образом ее качества и ресурса;

•недостаточная технологическая гибкость, поскольку затруднительно варьировать объемы затора при производстве различных сортов пива (так, в заторном филь тре фирмы Meura отклонение загрузки от номинального значения может дости гать +10 и –20%, в то время как в фильтрационных аппаратах ±40%);

•ограничение по массе единовременной засыпи, поскольку вместимость и число камер заторного фильтр пресса ограничены (при необходимости б\льшей массы засыпи нужно использовать несколько фильтров, но это затрудняет производство);

•необходимость очень точного приготовления затора по объему, поскольку фильтр пресс целесообразно заполнять на 100%, так как при недостатке затора снижается эффективность работы фильтра (при загрузке фильтра менее ~80% от номиналь ного значения может осыпаться слой), а при переизбытке затора — образуются технологические потери;

•получение сусла с несколько худшими органолептическими показателями, по скольку при более тонком измельчении оболочек солода в сусло могут перехо дить дубильные вещества, придающие пиву нежелательные грубоватость и го речь (однако это субъективное мнение, бытующее среди технологов, поскольку объективных и убедительных аналитических подтверждений этому утвержде нию нет);

•открытую выгрузку дробины, предопределяющую на этой стадии процесса боль шие испарения, что ухудшает культуру производства и требует установки систе мы вентиляции для удаления испарений либо размещения фильтр пресса в от дельном помещении;

•износ деталей, предопределяющий более высокие эксплуатационные затраты, по скольку периодически необходимо менять изнашивающиеся детали и материа лы (мембраны, фильтровальные салфетки, резиновые уплотнения и т. п.) при мерно через каждые 2000 циклов;

•повышенная сложность и меньшая степень автоматизации процесса из за необ ходимости применения ручного труда при очистке заторного фильтр пресса от прилипших остатков выгружаемой дробины;

•более высокие капитальные затраты по сравнению с фильтрационным аппаратом той же производительности;

•мелкодисперсность дробины, выгружаемой из заторного фильтр пресса, посколь ку скот в таком виде неохотно ее потребляет, что зачастую требует дополнитель ных затрат на подмешивание ее к другим видам кормов;

•необходимость специальных мер по предотвращению попадания пыли в бункер, в котором находится мелкодисперсная дробина после заторного фильтр пресса, поскольку при попадании в нее пыли дробина затвердевает как бетон.

6.4.3.3.5. Основные технические проблемы фильтрования затора и тенденции развития фильтрационных систем

Анализ современного состояния фильтрования затора позволяет выделить следу ющие основные технические проблемы фильтровальных систем:

•длительность цикла фильтрования;

•недостаточная прозрачность и неоптимальный состав сусла;

•повышенные эксплутационные затраты на осуществление процесса;

•достаточно большое потребление воды;

•повышенная влажность выгружаемой дробины;

•потери экстракта с дробиной;

•повышение эффективности мойки и дезинфекции оборудования и коммуникаций;

•возможность окисления затора и сусла кислородом воздуха;

•громоздкость фильтровального оборудования.

В этой связи совершенствование оборудования для фильтрования затора, очевид но, будет направлено прежде всего на:

•ускорение процесса за счет интенсификации фильтрования, промывания и выг рузки дробины;

•обеспечение полноты вымывания экстракта для достижения максимального выхода;

•обеспечение прозрачности сусла и оптимизации его состава;

•герметизацию фильтровального оборудования и коммуникаций;

•организацию процесса, обеспечивающую минимизацию контакта затора и сусла с кислородом (в частности, подачу технологических сред снизу, применение деаэ рированной промывной воды, оснащение насосов частотными регуляторами и пр.);

•сокращение расхода воды на выщелачивание дробины;

•снижение влажности выгружаемой дробины;

•обеспечение требований производственной санитарии;

•разработку более компактных фильтровальных систем;

•повышение экономичности процесса за счет повышения коэффициента оборачи ваемости оборудования, снижения энергозатрат и сокращения (или исключе ния) потребления расходных материалов.

6.4.4. Кипячение сусла

Отфильтрованное сусло с добавлением промывной воды после выщелачивания дробины, называемое полным набором, подвергают кипячению с добавлением хмеля (хмелепродуктов) для его химической и микробиологической стабилизации и прида ния ему специфических органолептических свойств. Хмель придает суслу приятную хмелевую горечь и характерный аромат. Помимо этого, хмель способствует осажде нию белка в сусле, улучшает цвет пива и оказывает бактерицидное действие на него.

Продолжительность кипячения в зависимости от применяемых технологии и обо рудования составляет обычно от 35 мин до 2 ч. Основной задачей кипячения сусла с хмелем является получение горячего охмеленного сусла с оптимальными качествен ными показателями.

К основным показателям качества сусла относят: цвет, содержание экстракта, со держание изомеризованных соединений, рН, йодное число, конечную степень сбра живания, содержание коагулируемого азота (свидетельствующее о степени осажде ния белков), содержание аминного азота (свидетельствующее о количестве амино кислот, от которых зависит процесс брожения), число тиобарбитуровой кислоты (сви детельствующее о степени термической нагрузки на сусло, влияющей на содержание карбонильных веществ) и содержание диметилсульфида (ДМС).

ДМС выбран в качестве контрольного соединения как наиболее типичный предста витель летучих веществ (которых в пиве десятки), оказывающих негативное влияние на органолептические показатели качества напитка.

Основные типичные показатели первого и охмеленного пивного сусла (соответ ственно, до и после кипячения его с хмелем) приведены в табл. 6.20.

Таблица 6.20

Основные типичные показатели пивного сусла до и после кипячения (ориентировочные данные для пива с экстактивностью начального сусла 12%)

6.4.4.1. Технологические аспекты кипячения сусла

Отфильтрованное в фильтрационном аппарате или заторном фильтр прессе сусло продолжает активно изменяться, поскольку в нем содержатся ферменты, нестабиль ные белковые вещества, микроорганизмы и еще не достигнуто ионное равновесие.

Поэтому после фильтрования сусло необходимо без задержки подвергнуть тепло вой обработке, в процессе которой не только обеспечивают его химическую и микро биологическую стабилизацию, но и придают ему специфические цвет, вкус и аромат.

6.4.4.1.1. Процессы и явления, протекающие при кипячении сусла

При кипячении сусла с хмелем в нем осуществляются следующие процессы и явления:

•выпаривание воды из сусла;

•коагуляция и осаждение белковых веществ;

•экстрагирование и изомеризация горьких веществ хмеля;

•перевод в сусло хмелевых эфирных масел;

•ароматизация сусла;

•экстрагирование и осаждение полифенолов;

•снижение содержания в сусле неблагородных летучих веществ;

•образование редуцирующих веществ (редуктонов);

•стерилизация сусла;

•инактивация ферментов;

•изменение физико химических свойств сусла.

Выпаривание избыточной воды из сусла осуществляют для регулирования в нем содержания экстракта. Технологическая целесообразность этого объясняется тем, что подвергаемое кипячению исходное сусло (полный набор) слишком разбавлено про мывной водой в связи с необходимостью более полного вымывания экстракта из дро бины экстракта при ее выщелачивании.

Концентрация экстракта в сусле является первым и основным показателем оконча ния варки.

Выпаривание сусла оценивают степенью испарения — долей испаренной влаги от общего набора сусла.

Степень испарения (%) определяют по формуле

где Vн — начальный объем сусла в сусловарочном аппарате, гл; Vк — конечный объем сусла в сусловарочном аппарате, гл.

Если в традиционных малоэффективных сусловарочных системах степень испаре ния составляет около 10–12%, то в современных энергоэкономичных сусловарочных системах она снижена до 3–6%.

Интенсивность кипячения характеризует скорость испарения (% в час) — доля ис паренной влаги от общего набора сусла, испарившейся из сусловарочного аппарата в течение часа.

Коагуляция и осаждение белковых веществ является одним из важнейших про цессов при кипячении сусла с точки зрения формирования вкуса и стабильности пива.

Впроцессе кипячения сусло из светлого и прозрачного постепенно превращается

втемное и мутное вследствие образования в нем мелкодисперсных взвешенных час тиц белка, которые постепенно собираются в крупные образования и выпадают в оса док в виде хлопьев — которые называют взвеси горячего сусла. Таким образом, процесс выделения из кипящего сусла белков протекает в две стадии: на первой химической стадии под действием высоких температур происходит денатурация белков, а на фи зико химической второй стадии — осуществляется коагуляция денатурированных бел ков и выпадение их в осадок. Одним из важнейших показателей окончания варки является наличие в сусле крупных хлопьев скоагулированных белков.

Химическая стадия при кипячении сусла протекает обычно полностью, а физико химическая завершается не всегда, что обусловлено плохим образованием белковых хлопьев. В этом случае белок осаждается мелкими частичками, образуя плохой белко вый отстой, а в сусле остается повышенное количество коагулируемого азота в виде тонкой мути.

Неполная коагуляция белков негативно сказывается на главном брожении и добра живании вследствие обволакивания и блокирования ими дрожжевых клеток. При этом брожение замедляется, происходит плохое осветление пива на стадии дображивания,

затрудняется фильтрование пива, в нем образуются белковая горечь и склонность

кхолодному помутнению.

Косновным факторам, влияющим на коагуляцию белка, относят температуру, про должительность и режим кипячения сусла (см. раздел 6.4.4.1.2).

В целях лучшего отделения белка при кипячении сусла в него иногда вносят раз личные стабилизирующие добавки. Бентониты и кизельгели, вносимые в сусловароч

ный аппарат с хмелепродуктами в концентрации 20–50 г/гл, способствуют коагуляции белка и изомеризации горьких α кислот. Внесение танина в концентрации до 8 г/гл активизирует выделение азота при кипячении сусла. Добавление высокомолекуляр ного углевода — караген моха (исландского мха) в концентрации 4–8 г/гл способству ет лучшему выделению белка. Для снижения содержания полифенолов в сусле в него добавляют поливинилполипирролидон (ПВПП), но гораздо предпочтительнее исполь зовать этот стабилизатор на стадии фильтрования.

Экстрагирование и изомеризация горьких веществ хмеля способствует измене

нию вкуса сусла; будучи изначально сладковатым, оно приобретает хмелевую горечь. Горькие α и β кислоты обладают плохой растворимостью в воде и пивном сусле, но вследствие окисления при кипячении сусла они превращаются в более раствори

мые мягкие смолы.

В процессе кипячения сусла компоненты α кислоты — прежде всего гумулон, когу мулон и адгумулон — изомеризуются, превращаясь в изогумулон, изокогумулон и изо адгумулон, которые обладают горьким вкусом и лучшей растворимостью по сравне нию с их предшественниками до изомеризации. Именно эти изосоединения гумулона и его гомологов придают пиву основную долю горечи. Причем особенно существенна роль изогумулона, поскольку на 85–90% горечи в пиве обусловлено его присутствием.

Выход изомеров, обеспечивающих горечь пива (прежде всего изогумулона), зави сит от состава хмелевых смол; дозы и степени измельчения внесенного хмеля; степени изомеризации; отделения изомеров взвесями горячего сусла; показателя рН; плотно

сти сусла; продолжительности и интенсивности кипячения.

Горькие β кислоты при кипячении сусла не подвергаются изомеризации и извле каются из хмеля в небольших количествах, главным образом в виде продуктов их частичного окисления, характеризующихся хорошей растворимостью и резкой при ятной горечью.

Ароматизация пивного сусла обусловлена растворением специфических компо нентов хмеля (горьких веществ, хмелевых масел), а также меланоидинов и карамелей, образующихся при кипячении сусла.

Лишь малая часть фракций хмелевых масел остается в сусле по окончании кипяче ния, в то время как наибольшая улетучивается из сусловарочного аппарата с испарени ями, и в сусле остаются лишь следы менее летучих компонентов.

Для лучшей ароматизации сусла последнюю порцию хмелепродуктов вносят в сус ловарочный аппарат незадолго до окончания варки (за 10–20 мин), при этом жела тельно использовать ароматические сорта хмеля.

Перевод в сусло хмелевых эфирных масел также придает хмелевой вкус пиву.

Экстрагирование и осаждение полифенолов. В пивном сусле содержатся полифено лы (дубильные вещества) солода и хмеля. Первые переходят в сусло из солода на стадии затирания, а вторые экстрагируются из хмеля при охмелении сусла. Полифенолы

обладают хорошей растворимостью и химической активностью. Причем полифенолы хмеля более активны — они быстрее связываются с белком, нежели полифенолы солода.

Экстрагируемые полифенолы хмеля оказывают влияние на органолептические по казатели пива не непосредственно, а через комплексные соединения их с горькими веществами хмеля, белками и аминокислотами.

При взаимодействии положительно заряженных частиц белковых веществ с отрица тельно заряженными частицами полифенолов образуются белково дубильные соедине ния. Полифенолы хмеля способны осаждать белки, которые не коагулируют, поэтому увеличенная доза хмеля способствует значительному повышению выделения белков.

С азотистыми веществами полифенолы образуют труднорастворимые соединения. Окисленное дубильное вещество хмеля — флобафен — образует с белками нера створимые соединения, которые полностью выделяются в процессе кипячения сусла.

Удаление из сусла неблагородных летучих веществ в процессе кипячения способ ствует улучшению вкуса пива. К таким веществам, в частности, относят меланоидины, фенолы, серосодержащие соединения, альдегиды и пр. Одни вещества привносятся в сусло с веществами солода, а другие — образуются в процессах затирания и, главным образом, кипячения.

Наиболее типичным представителем летучих веществ, по содержанию которого обычно судят о степени удаления их из сусла, является свободный диметилсульфид (ДМС), образующийся из неактивного предшественника S метилметионина.

С повышением температуры и удлинением продолжительности кипячения прин ципиально возможно обеспечить почти полное удаление свободного ДМС из сусла, но технологически и экономически это нецелесообразно, поскольку привело бы к повы шенной термической нагрузке на сусло и избыточным энергозатратам. Тем более что полное удаление ДМС не требуется, поскольку вкусовой порог чувствительности его составляет около 70 мкг/л.

Встарых сусловарочных системах достичь оптимального уровня ДМС было зат руднительно. В современных сусловарочных системах благодаря увеличению площа ди испарения сусла, например, за счет применения специальных отбойных колпаков, тонкопленочного кипячения и пр., обеспечивается беспроблемное снижение содержа ния летучих веществ в сусле до требуемого уровня.

Образование редуцирующих веществ (редуктонов) сопровождает кипячение сус ла с хмелем. Редуктоны обладают способностью быстро связывать кислород воздуха

итем самым защищать готовое пиво от окисления, что способствует повышению его коллоидной стабильности.

Всусле и пиве содержатся не только собственно редуктоны (такие, например, как α альдоны и α кетоны), но и другие соединения, обладающие антиокисляющей спо собностью, которые также могут быть отнесены к редуктонам. К ним, в частности,

относят:

• меланоидины и промежуточные продукты, образующиеся при реакции сахаров

саминокислотами;

•белки, содержащие сульфгидрильные группы — SH и (иногда) продукты их рас щепления;

•полифенольные (дубильные) вещества группы катехинов;

•горькие вещества хмеля (изогумулоны и неспецифические мягкие смолы).

Впивоварении практикуют добавление в пиво в качестве редуктонов l аскорбино вую или d изоаскорбиновую кислоты.

Стерилизация сусла. Некоторые микроорганизмы хорошо переносят температуры до 80 °С и, находясь в отфильтрованном сусле, могут очень быстро повысить его кис лотность, способствовать превращению нитратов в нитриты и пр.

Впроцессе кипячения сусло стерилизуется, тем самым обеспечивается его микро биологическая стабилизация, которая имеет особое значение при дальнейшей перера ботке охмеленного сусла на стадиях брожения и дображивания. Стерильность охме ленного сусла предопределяет биологическую чистоту главного брожения и дображи вания, а также биологическую стойкость готового пива.

Для стерилизации сусла вполне достаточно прокипятить его в течение 15 мин, в то время как варка продолжается намного дольше.

Инактивация ферментов. При кипячении сусла происходит инактивация имею щихся в нем ферментов, вследствие чего прекращаются все биохимические реакции, протекавшие в неохмеленном сусле. Инактивация ферментов технологически необхо дима, поскольку благодаря ей обеспечивается стабилизация химического состава сусла.

Изменение физико-химических свойств сусла. В процессе кипячения сусла умень шается его поверхностное натяжение, повышается кислотность и изменяется цвет.

Уменьшение поверхностного натяжения сусла обусловлено добавлением в него хмеля.

Повышение кислотности сусла при кипячении обусловлено кислой реакцией обра зования меланоидинов, внесением горьких кислот хмеля, кислым действием ионов кальция и магния, а также осаждением щелочных фосфатов. Например, в процессе кипячения без подкисления показатель рН сусла обычно снижается на 0,1–0,2 единицы (с рН 5,5–5,6 до 5,4–5,5). Однако многие важные преобразования или явления в сусле,

вчастности, коагуляция белково дубильных соединений, образование тонкой и более благородной горечи хмеля, меньшее изменение цветности, защита от посторонней мик рофлоры гораздо лучше осуществляются при пониженных значениях рН. При этом сле дует учитывать, что при пониженных показателях рН хуже осуществляется экстрагиро вание горьких веществ хмеля, а это приводит к повышенным его расходам. На практике сусло обычно подкисляют до рН 5,0–5,2 перед окончанием процесса кипячения.

Цвет сусла определяется цветом перерабатываемого сырья, прежде всего солода. В процессе варки цвет сусла всегда делается более насыщенным, что обусловлено кара мелизацией сахаров, образованием меланоидинов, окислением полифенольных ве ществ с образованием флобафена и переходом в раствор красящих веществ хмеля. Слишком сильное потемнение сусла при кипячении нежелательно, поскольку влечет за собой ухудшение вкуса и снижение стойкости пива.

На изменение цвета сусла сказывается интенсивность и продолжительность кипяче ния, показатель рН и экстрактивность сусла, а также давление в сусловарочном аппара

те. Для предупреждения избыточного потемнения сусла необходимо принять меры по:

• минимизации содержания в сусле веществ, подвергаемых карамелизации и уча

ствующих в образовании меланоидинов;

• предотвращению окисления компонентов сусла и прежде всего полифенолов;

• регулированию значения рН сусла (до 5,0–5,2);

• сокращению продолжительности кипячения сусла;

• обеспечению оптимальных условий кипячения (интенсивность, давление и пр.).

6.4.4.1.2. Основные факторы, влияющие на кипячение сусла

На процессы, протекающие при варке сусла, основное влияние оказывают темпера тура, продолжительность и режим кипячения сусла.

Типичная динамика изменения содержания коагулируемого азота (в пересчете на 12% ное сусло) в зависимости от продолжительности кипячения сусла приведе на ниже [10].

Режим кипячения также оказывает влияние на коагуляцию белка, что проявляется следующим образом. Высокая интенсивность кипячения характеризуется быстрым отрывом пузырьков пара от нижней нагревательной поверхности и их стремительным всплытием на поверхность сусла. Чем интенсивнее протекает кипение, тем меньше размер образующихся паровых пузырьков, но гораздо больше их общая площадь по верхности. При этом пузырьки захватывают и выносят на поверхность кипящего сусла большое количество белковых частиц, комплексов белковых соединений и дубильных веществ, учащаются их столкновения друг с другом, способствуя тем самым укрупне нию хлопьев. Этим, в частности, обусловлено обильное пенообразование в начале ки пячения, когда пена может подниматься до края сусловарочного аппарата. По мере коагуляции белка пенообразование в сусловарочном аппарате уменьшается.

Типичная динамика изменения содержания коагулируемого азота (в пересчете на 12% ное сусло) в зависимости от скорости испарения в процессе кипячения сусла приведена ниже [10].

Интенсивность кипячения во многом обусловлена конструктивными особенностя ми сусловарочных аппаратов — формой днища и корпуса, устройством системы теп лообмена и пр.

В традиционных достаточно энергоемких сусловарочных системах на состав сусла (прежде всего на содержание в нем коагулируемого азота и диметилсульфида) можно воздействовать, только варьируя температуру и продолжительность кипячения (табл. 6.21). При этом одной из важных инженерных проблем является оптимизация соотношения этих параметров, обеспечивающая удовлетворительное значение числа тиобарбитуровой кислоты, свидетельствующее о степени термической нагрузки на сусло. В лучшем случае оно должно быть не выше 40 единиц, но считается приемле мым — до 60 единиц. При повышенной термической нагрузке на сусло в нем повыша ется содержание карбонильных соединений, снижающих органолептические свойства пива. С точки зрения обеспечения допустимой термической нагрузки в сусловароч ных аппаратах традиционной конструкции продолжительность тепловой обработки сусла (от начала нагревания до окончания кипячения) не должна превышать 90 мин.

Приемлемое содержание свободного ДМС в сусле не должно превышать 70 мкг/л (некоторые исследователи полагают, что не более 25–35 мкг/л). Содержание коагули руемого азота в сусле должно составлять 22–25 мг/л. С увеличением коагулируемого азота понижается коллоидная стойкость пива, а с уменьшением — ухудшается пенооб разование.

Поскольку при кипячении требуется сохранить полезные белковые фракции, в то время как образование ДМС будет продолжаться при повышенной температуре в гид роциклонном аппарате, то современный принцип организации кипячения сусла с хме лем не предусматривает основное удаление ДМС непосредственно в процессе кипяче ния. При кипячении удаляют ДМС лишь частично, а остальную (б\льшую) часть летучих соединений удаляют при дальнейшей обработке сусла — на стадии стрипинга (см. раздел 6.4.4.3.3.1).

6.4.4.1.3. Некоторые технологические проблемы кипячения сусла с хмелем

Некоторые технологические проблемы кипячения сусла с хмелем, причины их воз никновения и меры предупреждения систематизированы ниже.

6.4.4.2. Инженерное обеспечение кипячения сусла

6.4.4.2.1. Ретроспективный взгляд на кипячение сусла

На протяжении многих веков наши предки для кипячения сусла с хмелем исполь зовали специальные емкости — корчаги, в которых они выпаривали сусло на открытом огне, перемешивая его вручную. Поэтому такое пиво в древней Руси называли кор чажным. По мере развития техники оборудование для кипячения сусла также мало помалу совершенствовалось — появились котлы с огневым нагревом, но их впослед ствии, начиная с середины XIX в., повсеместно вытеснили сусловарочные аппараты с паровым нагревом (рис. 6.61).

Рис. 6.61. Сусловарочный аппарат XIX в.

Первоначально продолжительность варки в аппаратах с паровым нагревом состав ляла более 2 ч, при этом степень испарения составляла в среднем около 12%. Основной инженерной задачей при конструировании таких аппаратов было стремление к макси мально возможной площади поверхности нагрева, чтобы достичь скорости испарения 8% в ч. При этом не возникало особых проблем с удалением нежелательных аромати ческих соединений.

Реакцией на первые энергетические кризисы явились разработки аппаратов для варки сусла под небольшим избыточным давлением (0,108–0,121 МПа) и, следова тельно, при повышенной температуре (102–105 °С). Кипячение сусла под давлением