Технология производства безалкогольного пива

Введение

На сегодняшний день в России складывается ситуация, при  которой основную долю рынка пива занимают производители-гиганты. В то же время в стране сложился благополучный климат для развития малого бизнеса. Все больше и больше людей хотят организовать свое небольшое пивоваренное предприятие.

Рынок пива России представлен  обширным ассортиментом, основную часть  которого составляют пять основных марок: светлое, темное, красное, белое и крепкое. Около 90% отечественного пивного рынка занимают светлые сорта, на которые приходится основной объем продаж, а остальные 10% разделяют между собой другие сорта, преимущественно темные.

Совокупный пивной рынок  в последние годы показывает устойчивый рост. За 2004 год объём потребления  увеличился на 12% и составил 830 млн. дал. Россияне всё больше отдают предпочтение пенному напитку, выпивая в год порядка 51 л на душу населения. Этот показатель вырос с 1995 года более чем в три раза, и достиг к 2010 году 80 л. Не вызывает сомнения то, что с насыщением рынка традиционным европейским пивом потребители переключат свое внимание на уникальные, «штучные» сорта. Заметим также, что, по результатам опросов, покупатели всегда считают местное, производимое у них пиво самым лучшим [1].

Так как количество мини-пивоварен увеличивается с каждым годом, то соответственно возрастает и конкуренция между ними. Чтобы оставаться на рынке необходимо снижать издержки производства, а также привлекать потребителей новыми уникальными сортами пива.

Цель курсового проекта –  разработка технологической схемы производства безалкогольного пива.

Задачи курсового проекта:

- разработать технологическую схему производства пива;

- дать характеристику продукта, сырья и материалов;

 сделать краткое описание технологической схемы и производственного контроля.

- провести продуктовый расчет производства.

- сделать подбор и описание основных аппаратов;

- провести патентный поиск по данной теме .

1. Литературный обзор

1.1. Химический состав и строение

Для приготовления пива требуется  четыре вида сырья: ячмень, хмель, вода и дрожжи. Качество этого сырья оказывает огромное влияние на качество изготовляемой продукции. Знание свойств сырья, его влияния на способ приготовления и на конечную продукцию является основой для подготовки и переработки сырья. Благодаря знаниям свойств сырья можно сознательно управлять технологическим процессом.

Основное сырье для приготовления  пива – ячмень. Его применение основано на том, что в нем содержится много крахмала и что даже после обмолота и переработки в солод в ячмене содержатся оболочки зерна (мякинные оболочки), которые способны формировать фильтрующий слой, необходимый в последующем процессе производства. Перед использованием для варки пива ячмень должен быть переработан в солод.

Зачастую используются также несоложеные зерновые – кукуруза, рис, сорго, ячмень, пшеница [1,2].

Хмель придает пиву горьковатый вкус и влияет на его аромат. От качества хмеля существенно зависит качество пива.

В процентном отношении наибольший объем среди всех видов сырья  занимает вода, которая, участвуя во многих процессах приготовления пива, влияет на его характер и качество. Кроме того, вода непосредственно участвует во многих процессах солодоращения и пивоварения.

Спиртное брожение при приготовлении  пива вызывается жизнедеятельностью дрожжей, которые в силу этого необходимы. Одновременно дрожжи оказывают влияние на качество пива через побочные продукты брожения [3].

а) Ячмень. В ячмене содержится необходимый для приготовления пива крахмал, который позднее, в варочном цехе, превращается в сбраживаемый экстракт. Путем правильного возделывания необходимо получать соответствующие сорта ячменя, дающие солода, богатые экстрактом.

Различают несколько групп ячменя и большое количество его сортов, которые по-разному влияют на приготовление солода и пива

Ячмени бывают озимые, высеваемые обычно в середине сентября, и яровые, высеваемые в марте-апреле. Все пивоваренные ячмени подразделяются на две группы. В каждой группе имеются свои сорта, которые можно разделить по расположению зерен на оси колоса в два или несколько рядов.

У многорядного ячменя на каждой ступеньке оси находятся по три цветка, которые после оплодотворения образуют по одному зерну.

У двухрядного ячменя на каждой ступеньке оси образуется только одно зерно, так как имеется только один плодотворный цветок.

Группы ячменя (яровой, озимый двухрядный многорядный) отличаются друг от друга многими показателями, представляющими для нас особый интерес, а именно:

Урожайность у озимого ячменя составляет в среднем 60 ц с гектара, и таким образом она существенно выше, чему ярового (в среднем 40 ц с гектара), что связано с более коротким вегетативным периодом ярового ячменя. По этой причине во многих странах возделывают больше озимого ячменя, чем ярового.

Таким образом, используются следующие группы пивоваренного ячменя:

- двухрядные яровые;

- двухрядные озимые;

- шестирядные озимые;

- шестирядные яровые.

Вышеуказанные группы разделяют на большое количество сортов, четко  различаемые по ряду свойств. В странах, подписавших Европейскую пивоваренную конвенцию, допускается испсльзование около 300 яровых, 100 – двухрядных и 100 – шестирядных озимых сортов. Одно это свидетельствует об огромном разнообразии ячменя.

Чтобы получить хороший однородный солод, необходимо наличие односортности всех зерен в данной партии. Это требует чистосортного возделывания ячменя на возможно больших площадях. Только так можно полностью использовать преимущества возделывания чистых сортов [4,5].

При выведении новых сортов обращают большое внимание на следующие показатели:

- устойчивость к болезням и вредителям;

- устойчивость к полеганию;

- высокая восприимчивость к питательным веществам;

- хорошие форма и расположение зерен; высокая способность к водопоглощению и низкая водочувствительность;

- низкое содержание белка;

- высокая способность к прорастанию к мо менту солодоращения;

- высокая растворимость;

- высокий выход экстракта при солодоращении.

Строение ячменного зерна. По строению ячменного зерна можно делать выводы о его ценности и о путях его переработки При этом следует различать наружное и внутреннее строение.

Наружное строение. На рис. 1.1 показаны а) спинная сторона зерна со спинной или покровной оболочкой (7), которая у культурных ячменей продолжается на колосе длинной остью, отбиваемой при обмолоте.

Рис 1.1 – Ячменное зерно

1 – основание, 2– кончик, 3– брюшная бороздка, 4 – базальная щетинка, 5 – морщинистость, 6 – брюшная мякинная оболочка, 7– спинная мякинная оболочка

По морщинистости (5) спинной мякинной оболочки определяется ее тонкопленочность, которая, в свою очередь, позволяет оценивать ячмень по крахмалистости. На брюшной стороне (б) находится брюшная или передняя мякинная оболочка. В брюшной бороздке (3) зерна находится базальная щетинка (4), остаток несплодотворенного цветка, которая позволяет судить о сорте ячменя.

Применяемые в пивоваренной промышленности сорта ячменя всегда являются пленчатыми, то есть у них брюшная и спинная оболочки настолько плотно срослись с семенной и плодовой оболочками зерна, что остаются на зерне и при обмолоте. В противоположность этому, при обмолоте пшеницы обе оболочки отделяются, так что остается оголенное зерно. Однако существуют и такие сорта ячменя, где оболочки отделяются (так называемые голозерные ячмени).

Внутреннее строение. Ячменное зерно (рис. 1.2) делится на три основные части: зародышевую, мучнистое тело и оболочки.

Зародышевая часть состоит из эмбрио (1) с вегетационными почками для зародыша листа (2) и зародыша корня (3).

От эндосперма зародыш отделен  тонким слоем ткани – щитком (4) и слоем эпителия (5), то есть слоем клеток вертикальной формы с очень тонкими стенками.

Эндосперм (мучнистое тело) (6) состоит  из стабильных клеток, в которых  находятся зерна крахмала. Стенки клеток представляют собой густое переплетение целлюлозы и высокомолекулярных белков.

Рис. 1.2 – Ячменное зерно (продольный разрез):

1 – зародыш стебля, 2– зародыш листа, 3 – зародыш корня, 4 – щиток, 5 – слой эпителия, 6 – эндосперм, 7 – пустые израсходованные клетки, 8 – алейроновый слой, 9 – оболочка семени, 10– оболочка зерна, 11 – мякинная оболочка

Все стенки, окружающие крахмальные  клетки, очень стабильны. Их толщина является признаком, сильно зависящим от сорта ячменя и условий его произрастания. У пивоваренных сортов ячменя стенки клеток обычно тоньше, чем у кормовых сортов. Толщина стенок клеток – важный фактор для солодо-ращения, так как толстые стенки дольше противостоят растворению. Они препятствуют обмену веществ и защищают содержимое клеток – при необходимости даже более ста лет! Стабильность этих клеток придает ячменному зерну жесткость, которую при необходимости можно преодолеть только значительным механическим воздействием [4].

Мучнистое тело окружено слоем богатых  белком клеток – алейроновым слоем. При солодоращении он является важнейшим «исходным пунктом» ферментообразования. В стабильном белке этого слоя присутствуют и другие вещества – жиры, дубильные и красящие вещества.

Оболочки зерна состоят из семи различных слоев, которые принято  объединять в три основных. Внутренняя оболочка снаружи алейронового слоя называется семенной оболочкой. Она окружает все зерно и пропускает только чистую воду, задерживая растворенные в ней соли, что обусловливается ее полунепроницаемостъю.

Оболочки состоят в основном из целлюлозы и гемицеллюлоз; в них содержится небольшое количество веществ, которые могут неблагоприятно влиять на качество пива – это прежде всего дубильные, горькие вещества и кремниевая кислота.

Состав и свойства отдельных  частей ячменя. Влажность ячменя составляет в среднем 14-15 % и может колебаться от 12 % при сухой до свыше 20 % при очень влажной уборке. Влажный ячмень плохо хранится и обладает низкой прорастаемостью, в связи с чем требуется его сушка Дня лучшей сохранности ячмень должен обладать влажностью ниже 15 %. Остальная часть зерна называется сухим веществом (СВ) и имеет обычно следующий химический состав (таблица 1.1). [22,25]

Таблица 1.1 – Химический состав ячменя

б) Хмель – это многолетнее двудомное вьющееся растение из группы крапивоцветных и семейства коноплёвых растений. В пивоварении применяют соцветия женских растении; они содержат горькие смолы и эфирные масла, придающие пиву горечь и ароматические свойства [5].

Выращивают хмель в особых областях возделывания, имеющих для этого подходящие условия. После уборки хмеля, чтобы избежать снижения его ценности, осуществляют его сушку и переработку.

Основными странами, где возделывают хмель, являются Германия и США, за ними следуют Чехия и, в последнее время, Китай.

Сбор хмеля проводят в период его технической зрелости, как правило, в конце августа, и он должен быть завершен в течение 14 дней. Сбор хмеля заключается в освобождении стебля от поддерживающей его проволоки и отделении хмелевых шишек (женских соцветий) с короткими цветоножками. В настоящее время уборка хмеля осуществляется исключительно хмелеуборочными машинами.

Влажность свежеубранного хмеля 75-80 %, поэтому в таком виде он храниться не может и должен быть немедленно высушен. Сушка осуществляется на ленточных сушилках, а на небольших предприятиях – на решетках партиями. На решетках хмель высушивают до влажности 10-12 % в щадящем режиме при температуре максимум 50° С.

Затем хмель упаковывают, то есть прессуют в тюки или в более крупные  виды упаковки для хранения. В таком виде хмель не может храниться долго без потери качества.

Состав и свойства компонентов хмеля (таблица 1.2) [11,24].

Состав хмеля оказывает решающее качество производимого из него пива.

Таблица 1.2 – Химический состав хмеля

Остальное – это целлюлоза и другие вещества, не имеющие особого значения для производства пива.

Горькие вещества являются наиболее ценными и характернейшими компонентами хмеля. Они придают пиву горьковатый вкус, улучшают его стабильность и повышают (благодаря своим антисептическим свойствам) биологическую стойкость пива.

в) Вода. В производстве пива наибольшей по своей массе составной частью сырья является вода, причем только часть воды идет непосредственно в пиво; другая часть расходуется на мойку, ополаскивание и т. п. Получение и подготовка воды в пивоварении имеет особое значение, так как качество воды существенно влияет на качество производимого пива.

Потребление воды для производства пива колеблется от 3 до 10 гл воды на 1 гл товарного пива, то есть, в среднем, 5-6 г л воды/ гл пива.

Требования к воде. Полученная из различных источников с помощью соответствующих устройств вода не всегда удовлетворяет требованиям по качеству. Чтобы соответствовать всем этим требованиям, она должна, как минимум, исследоваться на наличие определенных показателей [17,26].

Прежде всего, вода для пивоварения должна обладать качествами питьевой воды в соответствии с действующими нормативами по питьевой воде, то есть удовлетворять всем органолептическим, физико-химическим, микробиологическим и химическим требованиям, предъявляемым к питьевой воде. Кроме того, она должна соответствовать ряду специфических для пивоваренной промышленности технологических требований, соблюдение которых оказывает положительное влияние на процесс производства пива.

Требования к питьевой воде. Вода должна быть бесцветной, прозрачной и без запаха.

Высокие требования предъявляются  и к микробиологическим свойствам  воды. После соприкосновения с землей загрязняется любая вода. Число бактерий при этом изменяется в зависимости от степени загрязнения. По мере проникновения в подземные слои во все возрастающей степени осуществляется фильтрация и происходит – в общем случае – улучшение биологических свойств воды. Так как питьевая вода является важнейшим средством поддержания жизни, ее чистоте следует уделять максимальное внимание.

Вода почти всегда содержит хотя бы несколько микроорганизмов, о  которых без проведения трудоемких исследований нельзя судить, насколько они болезнетворны или безвредны.

Болезнетворные (патогенные) организмы могут происходить только от человека или животных – носителей возбудителей заболеваний. В толстом кишечнике человека и животных в большом количестве присутствуют безвредные, легко определяемые бактерии – кишечная палочка, служащие показателем возможности наличия в воде болезнетворных микроорганизмов.

В воде всегда растворены соли, причем, поскольку степень разбавления очень велика, они содержатся в воде не в виде солей, а почти полностью диссоциированы на ионы. Поэтому правильнее говорить о растворенных ионах [8,11].

Зачастую качество воды нуждается  в улучшении. При этом следует  определиться с тем, что именно требует улучшения или изменения – цель определяет способ водоподготовки. К примеру, при использовании воды в качестве питающей для паровых котлов совершенно не важно, содержит ли вода микроорганизмы, тогда как количество растворенных в ней солей, наоборот, имеет решающее значение. С водой для мойки все обстоит как раз наоборот.

В связи с этим различают следующие  способы водоподготовки:

- для удаления взвешенных веществ;

- для удаления растворенных в воде веществ;

- для уменьшения остаточной щелочности воды при производстве пива;

- для удаления микроорганизмов;

- для удаления растворенных в воде газов.

г) Дрожжи. Дрожжи являются одноклеточными микроорганизмами, которые могут получать свою энергию: а в присутствии кислорода (аэробно) путем

дыхания и в отсутствие кислорода (анаэробно) путем брожения.

Сахара сусла при производстве пива сбраживаются дрожжами в спирт.  Так как дрожжи не только осуществляют спиртовое брожение, но своим обменом веществ оказывают и большое влияние на вкус и характер пива, то знание компонентов дрожжей, их метаболизма и размножения имеет большое значение. Различные виды и расы культурных дрожжей имеют ряд отличительных признаков.

Дрожжи применяют в пивоварении  в виде густой массы, состоящей из миллиардов дрожжевых клеток, существующих независимо друг от друга. Эти клетки имеют форму от овальной до круглой, длину – от 8 до 10 мкм и ширину – от 5 до 7 мкм.

Дрожжевая клетка состоит примерно на 75 % из воды. Сухое вещество имеет состав, изменяющийся в определенных пределах (таблица 1.3).

Таблица 1.3 – Химический состав дрожжей

Характеристика пивоваренных дрожжей. Среди дрожжей вида, применяемых преимущественно в пивоварении как культурные дрожжи, различают многочисленные штаммы. В пивоваренной практике эти штаммы делят на две большие группы – дрожжи верхового и низового брожения. Между ними существуют морфологические, физиологические и технологические различия [4,10.]

Название штаммов дрожжей верхового  или низового брожения происходит от характерной картины их поведения при брожении. Верховые дрожжи в процессе брожения в основном поднимаются на поверхность, тогда как низовые по окончании брожения опускаются на дно.

Верховые дрожжи также опускаются на дно по окончании брожения, но значительно позже низовых. К  моменту сбора дрожжей в конце главного брожения они еще находятся наверху и продолжают размножаться (если используются открытые чаны).

Другим существенным признаком  низовых дрожжей является особенность хлопьеобразования, и по этому признаку низовые пивные дрожжи разделяют на пылевидные и хлопьевидные. У пылевидных дрожжей клетки тонко распределены в бродящем сусле и медленно опускаются на дно лишь в конце брожения Клетки хлопьевидных дрожжей через некоторое время собираются в большие хлопья и затем быстро оседают. Способность дрожжей образовывать хлопья обусловлена генетически и передается по наследству. Верховые дрожжи хлопья не образуют.

Способность штаммов  дрожжей образовывать хлопья имеет  большое практическое значение. Хлопьевидные дрожжи дают пиво лучше осветленное, но с более низкой степенью сбраживания, чем пылевидные и верховые дрожжи, тогда как верховые пылевидные дрожжи дают не такое прозрачное пиво, но с повышенной степенью сбраживания.

Верховые и низовые дрожжи различаются  также по применяемым температурам брожения. Низовыми дрожжами сбраживают сусло при температурах от 4 до 12 °С, а с верховыми штаммами дрожжей работают при температурах от 14 до 25 °С. Температуры брожения устанавливает пивовар [12,14].

1.2. Биохимические основы пивоварения

Для осахаривания сырья в спиртовом производстве применяют зеленый солод и ферментные препараты. В пивоварении применяют солод из ячменя. В этом случае главным показателем качества солода является его экстрактивность, т. е. суммарное количество сухого вещества (в %), переходящего в раствор при обработке измельченного зерна ферментами солода. Ферменты солода в процессе варки сусла переводят в растворимое состояние и белки. Количество белка должно быть в пределах 9 – 12%, при увеличении его образуется осадок, при уменьшении – ухудшается вкус пива и ослабевает пена [3,6].

Стадии приготовления пивного  солода включают замачивание ячменя, проращивание, сушку и хранение. Целью замачивания является активация  ферментных систем и появление ростка.

Солод может быть белый и темный в зависимости от способа производства, в основном от температурного режима. Следует помнить, что сильно повышать температуру нельзя, так как может произойти закисание зерна. При производстве светлых сортов солода ячмень замачивают до влажности 42 – 44 %,. а для производства темных – 45 – 47%. Замоченный ячмень содержит 70 – 80% начавших прорастать зерен.

Замачивание зерна ведется тремя  способами: периодическим воздушно-водяным, непрерывно-поточным (в насыщенной воздухом воде) и воздушно-оросительным. Наиболее прогрессивный воздушно-оросительный способ заключается в следующем. Сначала зерно орошают водой в течение 20 ч, распыляемой форсунками. Через каждый час снизу подсасывается воздух. Затем моечный аппарат заполняют водой и выдерживают зерно 8 ч, продувая через каждые 30 мин воздухом через барботер. Воду спускают и зерно орошают до достижения влажности 42 – 47 %. Длительность замачивания при температуре 12 °С 56 ч, при температуре 15°С – 48 ч.

Относительная влажность воздуха 97 – 99 %.

Проращивание ячменя ведут для накопления в нем ферментов и разрушения клеточных стенок зерна. Это необходимо, чтобы при приготовлении сусла облегчить извлечение крахмала, белков и других веществ. Температура проращивания для светлого солода не выше 18 °С и для темного – не выше 24 °С.  Длительность проращивания светлого солода 7 сут, темного – 9.

Проращивание осуществляют в солодовнях двух типов – токовых и пневматических, наиболее перспективных с точки зрения возможности механизации. Пневматические солодовни ящичного типа состоят из ряда прямоугольных открытых ящиков с кирпичными или железобетонными стенками и сетчатым дном на высоте 1 – 1,8 м от основного дна. Слой зерна составляет 0,6 – 1 м.  Снизу регулируют подачу воздуха, а сверху – удаление выделившегося при дыхании зерна СО₂. Для предупреждения сплетения корешков солода применяют ворошители. Ворошение в первый день проводят 2 раза, температура зерна 12– 14 С°; на второй и третий день – 3 раза, температура зерна 15– 18 °С; на четвертый и пятый дни – по 2 раза, температура зерна 18–20 °С.

Для характеристики всхожести зерна  введено понятие энергии прорастания. Это количество зерен (в %), давших росток на пятые сутки. Хорошей считается энергия прорастания 95%. Экстрактивность солода составляет 65 – 70 %,  У некоторых видов до 76 – 80%.

Проращивание заканчивают, когда  росток достигает размера от 2/3 до 3/4 длины зерна. Потери сухого вещества при прорастании составляют 14–15% от массы зерна [9,16].

Целью сушки солода является удаление влаги и накопление экстрактивных, красящих и ароматических веществ, придающих солоду специфический цвет, аромат и вкус. Влажность солода в процессе сушки снижается с 42 – 47% до 2 – 4%.

Различают три стадии сушки. На первой стадии (физиологической), которая протекает при 40 °С и продолжается до достижения зерном влажности 35–30%, росток еще продолжает развиваться. Затем дыхание зерна и развитие ростка прекращаются и начинается ферментативная стадия. Эта стадия осуществляется при 40 – 75 °С и влажности солода 10 – 20%; наблюдается повышение активности всех ферментов и интенсивный гидролиз белков и углеводов. При производстве светлого солода длительность ферментативной стадии стремятся сократить во избежание его потемнения. Для этого быстро снижают влажность солода до 10%. При сушке темного солода, наоборот, обезвоживание проводят медленно, снижая влажность до 20% [14].

Третья (химическая) стадия наступает  при температуре свыше 75 С°, когда ферменты инактивируются, и заканчивается при температуре 80 С° для светлого солода и около 55С° для темного. При данных температурах солод выдерживают 3 – 4 ч (отсушка солода), понижая влажность светлого солода до 3– 5%, а темного – до 1,5 – 2,5%. Химическая стадия характеризуется образованием меланоидинов – темноокрашенных соединений со специфическим вкусом, цветом и ароматом, которые образуются при взаимодействии редуцирующих Сахаров и низкомолекулярных продуктов распада белков  (аминокислот, пептидов). В светлом солоде их мало, а в темном много. У светлых! сортов солода химической стадии практически нет. Поэтому, белый солод обладает очень высокой ферментативной активностью. У темного солода ферментативная активность значительно ниже белого солода в результате инактивации ферментов во время сушки при высокой температуре. Ржаной красный солод не обладает активными ферментами.

Для придания пиву определенного цвета  и вкуса приготавливают специальные сорта солода – карамельный и жженый. Карамельный солод готовят из сырого или сухого товарного солода.

Процесс сушки солода до влажности 3–4,4% осуществляется обычно за 18–20 ч на одноярусных высокопроизводительных сушилках. Слой солода на решетке 0,8–1,3 м. Нагретый воздух подается обычно центробежным насосом снизу и проходит через слой высушиваемого продукта.

Готовый солод после охлаждения направляют для отделения ростков  на росткоотбивные машины, где ростки отделяются от зерна и удаляются. Затем солод очищают от пыли и крупки и отправляют на упаковку перед отгрузкой потребителю.

Качество солода характеризуется  содержанием в нем экстрактивных  веществ и продолжительностью осахариваиия. Перед подачей в производство солод дробят, чтобы содержимое солодового зерна (субстрат) было доступно для действия ферментов. Большое значение имеет качество помола. Грубый помол является причиной повышения потерь экстракта в дробине, а слишком топкий может задержать процесс фильтрования затора [17,19].

Приготовление охмеленного сусла. Эта стадия начинается с процесса затирания солода и несоложеных материалов и варки сусла. Цель его – перевести в растворимое состояние крахмал, белковые вещества, клетчатку и другие вещества путем их ферментативного гидролиза под действием ферментов солода.  Смесь дробленого солода с водой называется затором, нерастворимые вещества – дробиной, а раствор, освобожденный от дробины, – суслом. Растворенные вещества сусла называются экстрактом.

Процесс затирания состоит из смешивания в заторном чане дробленых зерновых материалов с водой в соотношении 1 :4. Зерновые материалы содержат обычно 60% солода и 40% несоложеных материалов (чаще всего кукурузную или ячменную муку и крупку). Начальная температура затора 50–52°С.