Современные представления о химическом составе сырья для пивоварения

Современные представления о химическом составе сырья для пивоварения

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

Пиво – слабоалкогольный освежающий напиток с характерным ароматом и горечью, приготовленный из ячменя, хмеля и воды, сброженный специальными расами пивных дрожжей.. Содержание этилового спирта в большинстве сортов пива 3—6%, при среднем содержании около 5,0% об. (иногда и выше: крепкое содержит, как правило, от 8 % до 14 % об), сухих веществ (в основном углеводов) — 7-10 %, углекислого газа— 0,48-1,0%.

Пиво распространено во множестве стран мира и пользуется популярностью благодаря своим вкусовым качествам и аромату. Существуют около 1000 сортов пива. Вкусовые характеристики разных видов могут кардинально отличаться. В разнообразия видов пива сильное влияние оказывают страны с наибольшим потреблением этого напитка. Такие как: Чехия, Германия, Ирландия, Австрия, Финляндия, Россия, Бельгия и т.д.  Пиво — третий по популярности напиток в мире (после воды и чая) и самый популярный алкогольный напиток в мире.

Целью данной курсовой работой является изучение химический состав сырья для пивоваренного производства.

1.1.Ячмень

Ячмень (Hordeum sativum) по составу экстрактивных веществ и их сбраживаемости более других злаковых культур пригоден для получения пивоваренного солода. Пленчатость же зерна ячменя играет положительную роль при фильтровании пивного сусла, обусловливая пористость фильтрующего слоя дробленого солода.

Наиболее важными требованиями к ячменю, используемому для солодоращения, являются хорошая прорастаемость зерна (90—95%), достаточная крупность и выравненность, невысокая пленчатость (не более 10% массы зерна), умеренное содержание белка (не ниже 8 и не более 12%) и высокое содержание крахмала (до 65%). Солод из высококачественного ячменя легко перерабатывается, отдает в сусло большое количество экстрактивных веществ; пиво из такого солода пригодно для длительного хранения.

В таблице приведено содержание пищевых веществ (калорийности, белков, жиров, углеводов, витаминов и минералов) на 100 г съедобной части:

Таблица №1 - Химический состав зерна ячменя

Химический состав зерна зависит от сорта, агротехнических и метеорологических условий при культивировании ячменя, а также  агротехнологии,  например, от количества внесения удобрений.

В технологии производства пива углеводы являются источником образования этилового спирта, а также необходимы для метаболизма дрожжей. К углеводам ячменя относятся крахмал и некрахмалистые полисахариды - клетчатка, гемицеллюлоза, гумми-вещества, пектиновые вещества. Большая часть крахмала (C6H10O5)n образуется путём фотосинтеза непосредственно в колосе, и этот углевод является основным веществом эндосперма зерна.

Крахмал накапливается в виде зёрен различной величины от 0,002 до 0,15 мм. В химическом отношении крахмал представляет собой высокомолекулярный полисахарид, построенный из структурных элементов одного типа - молекул углевода D-глюкозы (С6Н10О5), связанных α-1,4- и α-1,6-глюкозидными связями.

Рис. 1 – Крахмал

В крахмале ячменя содержатся два структурно различных углевода - амилоза (20 %) и амилопектин (80 %), которые можно отделить друг от друга и выделить в чистом виде.

Целлюлоза, или клетчатка, (С6Н10О5)n является одним из основных соединений клеточной стенки растений. Молекула целлюлозы представляет собой неразветвлённую цепь, элементами которой являются глюкозные остатки, соединенные β-1,4-глюкозидными связями.

Таким образом, повторяющимся структурным звеном в молекуле целлюлозы является целлобиоза, дисахарид, состоящий из двух остатков глюкозы: α-глюкозы и β-глюкозы:

Рис. 2 - Целлюлоза

Целлюлоза состоит из остатков молекул глюкозы, которая и образуется при гидролизе целлюлозы:

(C6H10O5)n+nH2O→n C6H12O6

Гидроксильные группы в целлюлозе расположены так, что создаются максимально благоприятные условия для взаимодействия цепей с помощью водородных связей. Как известно, эти связи слабы, но их в силу линейности цепей создается очень много, и они настолько регулярны, что сообщают целлюлозе свойства твердости и упругости. Поэтому целлюлоза нерастворима в воде и только набухает в ней.

1.2 Вода

Вода, являясь одним из основных видов сырья для приготовления сусла, одновременно служит необходимым вспомогательным материалом (при замочке ячменя, промывке дрожжей, мойке бродильно-лагерных емкостей, бочек, дрожжевых ванн, бутылок и т. д.). Все биохимические процессы, происходящие при изготовлении пива, протекают в водной среде.

Вода, используемая для приготовления пива, прежде всего должна соответствовать требованиям СаНПиН. Однако учитывать ее влияние на физико- химические и биохимические процессы в пивоварении, к ней предъявляют дополнительные требования, указанные в технологической инструкции по водоподготовке для производства пива и безалкогольных напитков.

Основные ограничения для производства воды, применяемые в производстве пива(при затирании), касаются таких показателей как величина рН, жесткость, соотношение между концентрациями ионов и , которой в питьевой воде вообще не регламентируется. Значительно меньше должно содержаться железа, кремния, меди, нитратов, хлоридов, сульфатов. Не допускается в воде  наличие нитритов, которые являются сильными токсинами для дрожжей. В 2 раза меньше содержание минеральных компонентов(сухой остаток) и в 2,5 раза ниже показатель химического потребления кислорода(ХПК) или окисляемость.

Солевой состав воды влияет на вкус пива в значительной степени. Солевые растворы в воде находятся в виде ионов, что обусловлено их низкой концентрацией. Фосфаты калия солода определяют кислотность промежуточных и конечных продуктов. Так, сульфаты и хлориды Ca, Mg и Na являются химически активными по отношению к некоторым солям солода и, взаимодействуя с ними, снижают рН затора, что создает более благоприятные условия для ферментативных процессов. Сульфаты и хлориды кальция придают пиву полноценную и тонкую хмелевую горечь, магния – терпкий вкус, натрия – быстроисчезающую горечь, а хлорид-ионы влияют на сладость. Кроме того, они положительно влияют на качество готового пива, однако повышенное содержание сульфата натрия придает пиву горький вкус. А вот бикарбонаты Ca, Mg и Na и карбонаты Na и K повышают рН при взаимодействии с кислыми первичными фосфатами, с образованием щелочных вторичных фосфатов. Причем присутствие бикарбоната магния категорически не желательно из-за его существенного влияния на рН. Железо так же является не желательным компонентом состава и при повышенных количествах оно должно удаляться.

Величина рН воды влияет на многие процессы в пивоварении, в частности при определенном рН ферментация проходит в нормальном режиме, а вот при его изменении протекает незначительно. Растворы, имеющие рН выше 8 вызывают ощущение вязкости и щелочного вкуса; кислый привкус появляется рН ниже 3.Так же рН влияет на состояние хмелевых горьких веществ и развитие микроорганизмов. Для качества пива важны даже самые малые изменения этого показателя. Если значение рН сдвинуто в кислую область, то многие процессы при производстве пива проходят значительно лучше или быстрее. Следовательно, при изготовлении пива величина рН должна быть по возможности низкой.

Жесткость - не менее важный критерий для оценки воды. Она определяется концентрацией растворенных в ней ионов кальция и магния. Соответственно измеряется в миллиграмм-эквивалентах Ca и Mg, содержащихся в 1л воды: 1 мг-экв. жесткости соответствует 20,04мг или 12,16мг в 1л воды. Классификация воды по жесткости происходит в следующем порядке: очень мягкая – до 1,5, мягкая – от 1,5 до 3, умеренно жесткая – от 3 до 6, жесткая – от 6 до 9, и очень жесткая – более 9. Для приготовления светлых сортов пива используется, как правило, мягкая вода. Жесткость может быть выше у воды, используемой в процессе производства темных сортов. В жесткой воде хмель дает более грубую горечь, цвет сусла получается более темным. В пивоварении разделяют карбонатную (временную) жесткость, характеризуемую содержанием карбонатных и бикарбонатных ионов, и некарбонатную (постоянную) жесткость, оцениваемую по содержанию хлоридов и сульфатов кальция и магния. Некоторые специалисты считают, что для светлого пива вода должна иметь карбонатную жесткость около 0,4 и некарбонатную от 0,2 до 0,4 моль/дм3. Для темного же пива, карбонатную от 1,5 до 2,4, а некарбонатную – незначительную величину.

1.3 Хмель.

Хмель является одним из основных компонентов при производстве пива, так как, обладая ароматическими и вкусовыми свойствами, придает пиву приятную горечь и аромат и обуславливает сортовые особенности пива. Хмель повышает биологическую стойкость пива (горькие вещества обладают антисептическими свойствами) и влияет на пенообразование и пеностойкость.

Хмель представляет собой вьющиеся многолетнее двудомное растение. Для пивоварения используют женские неоплодотворенные шишки сорта хмеля обыкновенного. Ценной частью хмеля является лупулон , представляющий собой клейкие зернышки (желестки), находящиеся  на внутренней стороне прилистников. Он содержит ароматические и специфические горькие вещества, благодаря которым хмель нашел применение в пивоварении.

Хмель придает пиву специфический горький вкус( за счет того что α-кислоты во время кипячения сусла с хмелем изомеризуются в растворимые  изо-α-кислоты) и аромат, который сообщают пиву эфирные масла хмеля.

Химический состав хмеля.

В хмеле содержаться такие  важные для пивоварения компоненты, как горькие хмелевые смолы, эфирные масла и дубильные вещества. Шишки хмеля содержат также небольшое количество липидов и восков, сахаров, пентозанов, витаминов и органических кислот.

Химический состав высушенных шишек в %.(в среднем):

• Вода 10-14
• Клетчатка 12-16
• Азотистые вещества 15-24
• Безазотистые экстрактивные вещества 25-30
• Зола 6-9
• Хмелевые смолы 10-20
• α-кислоты 2-16
• β –фракции 6-9
• γ-твердые смолы 2-3
• полифенольные(дубильные ) вещества 2-5
• эфирные масла 0,2-3,8

горькие вещества или хмелевые смолы.

Важнейшим  соединение  для формирования горечи пив являются α-кислоты или гумуллоны, но они не являются единственными. Одному из соединений, а именно когумуллоны, приписывают негативную роль в формировании горечи пива. Желательное его содержание  менее 20-25 % от содержания α-кислот.

Горькие вещества обладают очень высокой поверхностной активностью и благодаря этому повышают стойкость пены; поэтому у более горького пива следует ожидать и лучшей пеностойкости.

Горькие вещества также тормозят развитие в пиве микроорганизмов; однако эта бактериостатическая сила  не особенно велика и не заменяет необходимых мероприятий по повышению стойкости пива.

α- кислоты не обладают неограниченной стойкостью, поскольку мембраны лупулиновых  желез проницаемы и слабо защищают их содержимое. под влиянием кислорода, повышенных температур и высокой влажности воздуха α-кислоты все больше распадаются. Поэтому можно считать, что при температуре  хранения 18 за 2 месяца α-кислота расщепляется на 25 %.это означает, что после образования α-кислот и до созревания уже начинается процесс их распада.

Хмель содержит от 0,2 до3,8 % хмелевого эфирного масла, под которым понимают 200 до 250 различных эфирных веществ, легко улетучивающихся при кипячении. Они выделяются месте с лупулинами во время созревания и придают хмелю характерный аромат. Хмелевое эфирное масло представляет собой смесь углеводород- и кислородсодержащих соединений. Конкретный состав хмелевого масла зависит от сорта хмеля.

Дубильные вещества (полифенолы).

Дубильные вещества  находятся исключительно в лепестках и стерженьках. Они обладают несколькими важными для пивоварения свойствами, а именно:

• вяжущим вкусом;
• способностью связывать и осаждать комплексные белковые вещества;
• окислением в красно- коричневые соединения-флобафены;
• способностью связываться с солями железа, образуя соединения с черноватым оттенком.

Дубильные вещества влияют на образование в пиве помутнений, на его вкус и цвет. Дубильные вещества представляют собой сложные полимерные соединения из множества мономерных фенольных. Они представляют сложную смесь, в состав которой входят танины, флавонолы, катехины и антоцианогены. Среди полифенолов по количеству и значимости  важнейшими являются антоцианогены,которые составляют 80% полифенолов хмеля. Антоцианогены солода, содержащиеся преимущественно в алейроновом слое, имеют в основном ту же структуру, что и в хмеле. В сусло обычного состава 80% антоцианогенов поступает из солода и 20%- из хмеля.

Белковые вещества.

От 12%- до 20% сухого вещества хмеля составляют белковые вещества из них 30-50% попадают в пиво. При приготовлении пива белок не имеет особого значения(для пенообразования, для полноты вкуса) прежде всего из-за очень небольшого количества.

Горькие вещества хмеля.

Для пивоварения содержания в хмеле горьких веществ является важнейшей характеристикой. Она может определяться только в лаборатории путем экстракции.

При помощи кондуктометрического метода определяю содержание общих смол, общих мягких смол, твердых смол, ориентировочные  нормативные значения которого составляет приблизительно (в % ВСВ):

Показание кондуктометра соответствует содержанию α-кислоты

1.4 Дрожжи.

Дрожжи являются одноклеточными организмами, которые могут получать свою энергию: в присутствии кислорода(аэробно) путем дыхания и в отсутствии кислорода(анаэробно) путем брожения. Сахара сусла при производстве пива сбраживаются дрожжами в спирт. Для этого в пивоварении применяют дрожжевые  грибы вида Saccharomyces cerevisiae. дрожжи осуществляют не только спиртовое брожение,  но  оказывают большое влияние на вкус и характер пива, своим обменом веществ.

Дрожжевая клетка состоит примерно на 75% из воды. Сухое вещество имеет состав, изменяющийся в определенных пределах, а именно:

Белковые вещества- от 40 до 60%

Углеводы жиры(липиды)- от 25 до 35 %

Минеральные вещества  состоят из:

2000 мг фосфатов, 2400 мг калия, 200 мг натрия, 20 мг кальция, 2 мг магния, 7 мг цинка.

2. Несоложеное зерно.

Несоложеное зерно- это крахмалосодержащие или сахаросодержащие материалы, которые  практически не имеют ферментативной активности. К такому виду относятся зерновые культуры: рис, кукуруза, пшеница, овес, рожь, тритикале, просо, не зерновые материалы твердой (сахар-песок, крахмал) и жидкий (сахарные сиропы, глюкозо-мальтозные сиропы, сиропы из зерновых культур, экстракты солода) консистенции.

Применение несоложеного зерна в пивоварении способствует:

• снижению себестоимости(при использовании зернового сырья),
• увеличению экстрактивности сусла (при использовании риса, кукурузы, пшеницы, сиропы и крахмала),
• увеличению производительности варочного цеха(при использовании сиропов и крахмала),
• созданию новых сортов пива,
• повышению коллоидных и вкусовых стойкости пива.

Влияние компонентов сырья на процесс  пивоварения и качество готового пива

2.1. Рис

Рис относится к семейству злаковых. Плод-пленчатая зерновка, на изломе белая, стекловидная, полустекловидная  или мучнистая.

Для производства пива применяют рисовую сечку, то есть раздробленная зерна, получаемые при обмолоте и полировке риса, но потерявшие при этом только внешний вид. Зерно риса имеет влажность 12-13%.

Химический состав риса в расчете на 100 г продукта:

Крахмал риса. Рисовая крупа наиболее распространенных заменителей солода благодаря большому содержанию крахмала. Температура клейстеризации рисового крахмала колеблется от 70 до 85 в зависимости от сорта. Поэтому α-амилаза солода воздействуют на него очень медленно. В связи с этим  при значительной доле несоложеного риса в засыпи уменьшается экстрактивность и увеличивается продолжительность осахаривания.

Некрахмалистые полисахариды риса. В рисе, освобожденном от пленок, содержание клетчатки невелико-3-0,4 %. Количество других некрахмалистых полисахаридов также мало. В результате при использовании риса в качестве несоложеного материала имеет место увеличение стойкости и прозрачности пива, благодаря снижению в заторе доли некрахмалистых полисахаридов и продуктов их гидролиза.

Белковые вещества. Распределение белков по фракциям в разных частях зерна неодинаково: в периферийных частях сосредоточенно повышенное количество глобулинов и альбуминов. В остальной части зерна преобладают главным образом оризенины, которые не влияют на качество готового продукта.

2.2 Кукуруза.

Кукуруза сахарная, также маис-— однолетнее травянистое растение, единственный культурный представитель рода Кукуруза семейства Злаки.

Кукуруза — высокорослое однолетнее травянистое растение, достигающее высоты 3 м.

Таблица №5 - Химический состав зерна кукурузы.

Кукурузу(зерно) убирают с влажностью 25-30 % и высушивают до влажности 10-14 %. Сухое вещество кукурузного зерна состоит на 76-78% из углеводов, на 9-12 % из белка и 4-5 % из масла, и небольшого количества клетчатки и минеральных веществ. Масло содержится в зародыше зерна. Масло является вредным для пены, поэтому у кукурузы перед переработкой удаляют зародыши, тем самым исключают масло.

Содержание белка при переработке на крупу и хлопья понижают на 7-9%. Этот белок в основном остается в процессе затирания нерастворимым, так что с содержанием белка, несколько меньшим в кукурузе, следует считаться.

Кукурузный крахмал по внешнему виду примерно соответствует крахмалу ячменя. Температура клейстеризации кукурузного крахмала составляет 60-70, и поэтому особых проблем при его переработки нет. Содержание экстракта в кукурузе без зародышей составляет 88-90% на АСВ, такое же, практически, как у солода.

Некрахмалистые полисахариды кукурузы.

Представлены целлюлозой, гемицеллюлозой, пентозанами,β-глюканами. Содержание(в %) клетчатки колеблется от 0,7-2,2; пентозанов- от4,2-6,2. Водорастворимые β-глюканы содержатся в количестве 0,06-1,13 от СВ эндоспермы.

Липиды зерна кукурузы. Липиды имеют большое значение в пивоварении в виду своего влияния на метаболизм дрожжей, пеностойкость и вкусовую стабильность пива. Соотношение липидов в составных частях кукурузы распределяются следующим образом: зародыш 28,9-38,9%; эндосперм-0,7-1,9%; плодовая  оболочка(перикарп)- 07-1,9%. Следовательно, после удаления зародыша кукуруза практически не отличается по содержанию липидов от других злаков. Тем не менее, для пивоварения с целью повышения экстрактивности  сусла и получения пива с высокой пеностойкостью и вкусовой стабильностью применяют сорта кукурузы, которые содержат минимальное количества жира. При этом оценивают содержание жирных кислот с числом углеродных атомов более 12(олеиновая, линоленовая, линолевая и пальмитиновая), так как именно они наиболее активно снижают пенообразование.

2.3 Пшеница.

Пшеница - род травянистых, в основном одно

летних, растений семейства Злаки, или Мятликовые, ведущая зерновая культура во многих странах, в том числе и России. Однолетние травянистые растения 40—150 см высотой.

Пшеница редко перерабатывается как несоложенное сырье, но часто применяется в виде солода, например, для производства пива верхового брожения Hefeweizen, Wei bier и другие.

Таблица №2 - Химический состав зерна пшеницы

В зерне на долю эндосперма приходится 78-8,3% сухих веществ, на долю зародыша- 1,4- 4,2 %. Массовая доля СВ в оболочках составляет 5,6-11,2, в алейроновом слое- 5,2-8,8%

Крахмал пшеницы. Массовая доля крахмала составляет 60-63%. Доля амилозы в пшеничном крахмале составляет 17-24%, амилопектина 76- 83%.  Некрахмалистые полисахариды. В виду того, что у зерен пшеницы отсутствует цветковая оболочка, этот злак содержит примерно в 2 раза меньше целлюлозы по сравнению с ячменем. При соложении значительная часть некрахмалистых полисахаридов подвергается расщеплению. Низкомолекулярные продукты гидролиза усваиваются дрожжами; высокомолекулярные вещества способствуют повышению пеностойкости.

Белки пшеницы. В зерне пшеницы массовая доля белка(сырого протеина) и соотношение в нем заменимых и незаменимых аминокислот колеблется в широких пределах. Белок пшеницы в основном представлен проламином. Именно эта фракция белка при замачивании образует с водой студнеобразный гидратированный комплекс, называемый клейковиной. В состав клейковины может входить до 70% белка пшеницы.

2.4 Рожь

Рожь посевная, или рожь культурная однолетнее или двулетнее травянистое растение, вид рода Рожь (Secale) семейства Злаки. Рожь является культурным растением, её выращивают в основном в Северном полушарии. Существуют озимая и яровая формы ржи. Рожь более зимостойкая, чем другие озимые хлеба. Семена начинают прорастать при 0,5—2ºС. Заканчивает вегетацию осенью и возобновляет весной при 3-4ºС.

Таблица №3 - Химический состав зерна ржи