Бродильные производства. Производство пивоваренного солода

К бродильным относят производства, для которых основным технологическим процессом является брожение, осуществляемое различными микроорганизмами (дрожжами, бактериями, плесневыми грибами).

Наиболее распространенным и используемым человеком с древнейших времен является спиртовое брожение, осуществляемое дрожжами. Оно может происходить только в отсутствие кислорода (в анаэробных условиях), при этом сахар лишь частично окисляется, образуется спирт, углекислый газ и выделяется небольшое количество энергии. В обобщенном виде спиртовое брожение описывается следующим уравнением:

C₆H₁₂O₆ -2С₂Н₅ОН + 2СО₂+117 кДж.

Бродильные производства разделяют на три основные группы:

производства, основанные на использовании жизнедеятельности дрожжей: производство пива, вина, кваса, этилового спирта, хлебопекарных и кормовых дрожжей;

производства, основанные на использовании жизнедеятельности бактерий: производство молочной, уксусной и масляной кислот, ацетоно-бутиловое производство;

производства, основанные на использовании жизнедеятельности плесневых грибов: производство лимонной, глюконовой, итаконовой, фумаровой кислот, производство ферментов, витаминов и антибиотиков.

В настоящей главе рассматриваются лишь производства первой группы.

Производство солода

Солодом называют пророщенное зерно злаковых культур. Зерно проращивают главным образом с целью накопления амилолитических ферментов, производящих расщепление сложной крахмальной молекулы до простых Сахаров, усваиваемых дрожжами. Солод используют в производстве пива и кваса, где он является основным сырьем; в производстве спирта - для осахарива- ния крахмала зернокартофельного сырья; в хлебопечении - для осахари- вания заварок или в качестве вкусовой и ароматической добавки при производстве некоторых сортов хлеба.

Производство пивоваренного солода

Для изготовления пива используется только ячменный солод, производство которого значительно увеличивается.

Пивоваренный солод готовят из специальных сортов ячменей, имеющих крупные, одинаковые по размерам зерна с высоким содержанием крахмала. Требования к пивоваренному ячменю изложены в ГОСТ 5060-67.

Основным показателем качества пивоваренного ячменя является его экстрактивность. Термином «экстрактивность» обозначают количество сухих веществ (в %), переходящих в раствор при обработке измельченного зерна ферментами солода. Другим важным показателем качества ячменя является содержание белка, которое должно находиться в пределах 9-12%. При меньшем содержании пиво получается менее ценным по вкусу, со слабой пеной, при большем - избыток белка в пиве выпадает в осадок и оно быстро мутнеет. Ячмень, предназначенный для соложения, должен быть жизнеспособным, с прорастаемостью не менее 90- 95%. К лучшим сортам пивоваренного ячменя относятся Ганна Лоосдорфская, Ильинецкий, Уманский, Одесский 9, Майя, Нутанс 187, Винер и др.

Для нужд пивоварения выпускают три типа солода: светлый, жигулевский и темный, качество которых должно соответствовать требованиям МРТУ 18/199-67.

Технология приготовления всех типов солода одинакова и состоит из следующих стадий: очистки и сортирования ячменя, замачивания ячменя, проращивания замоченного ячменя, сушки сырого солода, отделения ростков и созревания сухого солода. Но технологические режимы на отдельных стадиях производства и особенно при сушке солода различны.

Очистка и сортирование ячменя. Зерноочистительное отделение солодовенного завода работает примерно по такой же технологической схеме, как соответствующие отделения мельниц, с работой которых студенты знакомятся в курсе «Товароведение продовольственных товаров». Здесь будет рассмотрено лишь сортирование зерна.

Сортированием называют разделение зерновой массы по толщине отдельных зерен. При производстве пивоваренного солода предпочтение отдают крупному ячменю, содержащему больше крахмала и меньше оболочек, следовательно, более экстрактивному. Сортирование зерна производится с помощью стальных сит с продолговатыми отверстиями длиной 20-25 мм и шириной 2,8; 2,5 и 2,2 мм, причем ячмень разделяют на четыре или три фракции. Для приготовления солода берут ячмень I и II фракций и перерабатывают их раздельно. Ячмень III и IV фракций является отходом. Ячмень III фракции пригоден для производства солода в спиртовой промышленности, где предпочитают перерабатывать мелкое зерно, а ячмень IV фракции используют как фуражный. Менее крупный ячмень разделяют на три фракции, в этом случае I и II фракции отбирают вместе, сита применяют с отверстиями шириной 2,5 и 2,2 мм.

Замачивание зерна. Этот процесс ведут в открытых стальных аппаратах цилиндро-конической формы. В центре замочного аппарата имеется устройство для мойки зерна, состоящее из широкой трубы, под нижний расширенный конец которой подведена узкая трубка для подачи сжатого воздуха. При мойке зерна сжатый воздух увлекает вверх по центральной трубе смесь воды с зерном, где она распределяется по расходящимся в сторону трубам сегнерова колеса, потом смесь вытекает обратно в аппарат. В конической части аппарата уложены кольца труб с отверстиями (барботер), по которым подается сжатый воздух для проветривания замачиваемого зерна. Спуск зерна производится снизу через штуцер, закрываемый конусом. В верхней части цилиндра имеется вырез, к которому приваривается коробка для слива грязной воды и сплава легких примесей. Вместимость аппарата выбирают исходя из суточной производительности солодовни. Типовые аппараты изготовляют объемом 8,2; 17,6; 26 и 52 м3. При расчете количества замочных аппаратов принимают 3-суточную длительность замачивания.

Замачивание зерна осуществляется тремя способами: воздушно-водяным, в непрерывном потоке насыщенной воздухом воды и воздушно-оросительным. Независимо от способа зерно моют и после удаления легких примесей (сплав) дезинфицируют раствором СаСl₂ или СаО.

Воздушно-оросительный способ признан наиболее прогрессивным и рекомендован для внедрения на всех заводах. Замачивание ведут орошением водой, распыленной форсунками, которая стекает вниз и удаляется в канализацию. Водяная пленка вокруг зерна непрерывно обновляется и уносит продукты обмена веществ зерна, улучшая условия его жизнедеятельности. Однако в различных местах замочного аппарата зерно увлажняется неравномерно, что влечет за собой и неравномерное прорастание. Поэтому орошение прерывают замачиванием под водой. Замачивание ведут в следующем порядке. Сначала в течение 20 ч производят орошение зерна, через каждый час отсасывая снизу воздух вентилятором в течение 15 мин. Затем замочный аппарат заполняют водой и выдерживают зерно под водой 8 ч, проветривая его каждые 30 мин пропусканием воздуха через барботер в течение 5 мин. Потом воду спускают и снова приступают к орошению, также отсасывая воздух через каждый час по 15 мин. Орошение ведут до тех пор, пока зерно не достигнет нужной влажности - 42-44% для светлого и 4-5-47% Для темного солода. В среднем продолжительность замачивания при температуре воды 12°С составляет 56 ч, а при температуре 14-15°С - 48 ч. Замоченный ячмень содержит 70-80% начавших прорастать зерен.

Замоченное зерно вместе с водой спускается самотеком или его перекачивают насосом на проращивание.

Проращивание ячменя.Цель проращивания - накопить ферменты и произвести глубокое разрушение клеточных стенок зерна, чтобы в дальнейшем при приготовлении пивного сусла облегчить извлечение крахмала, белковых и других веществ. Проращивание ведут при температуре не выше 18°С при приготовлении светлого солода и не выше 24°С - при приготовлении темного солода. Температуру проращивания регулируют проветриванием, при этом удаляется избыток углекислого газа, в атмосфере которого происходит торможение роста, а затем и гибель зародыша. Поэтому своевременная аэрация при проращивании имеет большое значение.

Проращивание прерывают сушкой солода, когда проросток достигает 2/3-3/4 длины зерна. При разрушении клеточных стенок эндосперма зерна под действием цитолитических ферментов оно становится рыхлым и хрупким. На рост зародыша расходуется около 4% крахмала и примерно 35% белковых веществ. Корешки (ростки) после сушки солода отделяются и реализуются как отход производства. Потери сухих веществ ячменя с ростками достигают 4,5-5%.

Из всего многообразия ферментов зерна наиболее важными для бродильных производств являются амилолитические. В комплекс амилолитических ферментов ячменя входят а- и B-амилазы. В непроросшем зерне содержится только B-амилаза, расщепляющая крахмальную молекулу до мальтозы. а-Амилаза образуется при проращивании. Она разрывает крахмальную молекулу во многих местах, образуя декстрины и в небольшом количестве глюкозу.

Другой важной группой ферментов являются протеазы. Они объединяют комплекс ферментов, наибольшее значение из которых имеют протеиназы и пептидазы. Протеиназы расщепляют белковую молекулу на более или менее крупные осколки, образуя полипептиды, пептоны и другие продукты распада, а пептидазы производят их дальнейшее расщепление до аминокислот и низкомолекулярных пептидов.

Ферменты накапливаются в основном в первые 4-5 сут проращивания, а в последующее время протекает ферментативный гидролиз сложных составных веществ зерна на более простые. Длительность проращивания для светлого солода принимается равной 7 сут, а для темного - 9 сут.

Солод считают готовым, когда мучнистое ядро легко растирается пальцами в порошок. Хороший ячменный солод должен иметь запах свежих огурцов. При нарушениях режима проветривания солод имеет эфирный запах, а эндосперм - мажущуюся консистенцию при растирании. Последнее наблюдается и при чрезмерном замачивании. Проращивание зерна осуществляется в солодовнях. Солодовни бывают двух типов - токовые и пневматические. Токовые солодовни имеют низкую производительность и не поддаются механизации, поэтому их повсеместно заменяют пневматическими.

В пневматических солодовнях регулирование температуры в слое солода и удаление углекислого газа осуществляется продуванием снизу влажного воздуха, температура которого на 2-3°С ниже температуры, установленной режимом работы. Для предупреждения схватывания (сплетения) корешков солод перемешивают механическими ворошителями разной конструкции. Применение кондиционированного воздуха позволяет увеличить высоту слоя солода до 0,7-1,2 м и производить соложение круглый год, благодаря чему мощность солодовни увеличивается в 4-1 раз. Подготовка воздуха производится в камерах кондиционирования, в которых воздух, нагнетаемый мощным вентилятором, проходит через завесу распыленной форсунками воды. При этом он очищается от пыли, охлаждается или нагревается в зависимости от времени года и предельно увлажняется, что предохраняет прорастающее зерно от подсушивания.

Пневматические солодовни бывают двух типов: ящичные и барабанные, которые имеют разные конструктивные решения. Барабанные солодовни, как наиболее сложные и металлоемкие, не нашли широкого применения и признаются неперспективными.

Ящичная солодовня состоит из ряда прямоугольных открытых ящиков с кирпичными или железобетонными стенками, покрытыми цементной штукатуркой. На высоте 0,6-2 м от основного дна находится сетчатое дно, на котором помещается прорастающее зерно. Кондиционированный воздух по каналу поступает в подситовое пространство и пронизывает слой солода, унося с собой тепло и углекислый газ. Перемешивание солода производится шнековым ворошителем, который представляет собой установленную на катки тележку с прикрепленными к ней вертикально винтовыми шпинделями (шнеками). Тележка движется по боковым стенкам ящиков, одновременно с этим вращаются шнеки, перемещая нижние слои солода вверх. Выгружается зеленый солод из ящиков с помощью пневмотранспортера или механической лопатой через разборную торцовую стенку.

Вместимость ящика зависит от производительности завода и колеблется от 5 до 50 т. Она обычно рассчитывается на прием зерна из одного замочного чана. Максимальная высота слоя солода 0,75 м. Отношение ширины ящика к длине равно 1 : 5 или 1 : 6. Ширину ящика принимают исходя из размеров выпускаемых ворошителей, которые различаются числом шнеков. Выпускаются ворошители для ящиков шириной 1,84 м (3 шнека); 2,33 м (4 шнека), 2,82 м (5 шнеков); 3,31 м (6 шнеков); 3,80 м (7 шнеков) и 4,78 м (9 шнеков).

Количество ящиков должно быть равно числу суток ращения.

Проращивание зерна в ящичной солодовне ведется в следующем порядке. Из замочных аппаратов зерно вместе с водой подается в ящик и ворошителем равномерно распределяется па всей площади сита. Вода проходит через сито и удаляется в канализацию. В первые сутки для удаления воды с поверхности зерна ведут проветривание сухим воздухом через каждые 3 ч по 30-40 мин. Когда температура в слое зерна поднимется до 14-17°С, подают кондиционированный воздух. Продувание ведут так, чтобы температура солода на 2-е сут была 17- 19°С, на 3-5-е сут - 19-21°С, на 6- 8-е сут-18-20°С. Ворошение производят в основном 2 раза в сутки.

Ящичная солодовня типа «передвижная грядка» отличается тем, что в ней замоченное зерно загружают в одном конце ящика и каждый день передвигают его к другому концу, а на освободившуюся площадь загружают новую партию замоченного зерна; на 8-е сут проращивания с противоположного конца ящика выгружают готовый зеленый солод. Таким образом, в одном ящике находится солод всех дней ращения. Солод перемещают 2 раза в сутки через 12 ч. При 8-суточном проращивании общая длина ящика составляет 24 м. Ящик со стороны выгрузки солода не имеет торцовой стенки, и ворошитель сбрасывает его в приемный бункер, примыкающий к ящику, откуда солод системой транспортеров направляется на сушку.

Главное преимущество солодовни с передвижной грядкой состоит в полной механизации выгрузки солода. Кроме того, полезная площадь солодовни увеличивается на 10-15%.

Сушка солода.Цель сушки солода - удаление влаги и накопление красящих и ароматических веществ, придающих солоду специфический цвет, аромат и вкус. Влажность солода снижается с 42-45% до 2-4%.

При сушке в солоде совершается ряд процессов, характер которых определяется его влажностью и температурой. Различают три фазы сушки.

Физиологическая фаза- продолжение проращивания - наблюдается при температуре до 40°С и влажности солода около 30%. Затем дыхание и рост прекращаются и начинается следующая фаза.

Ферментативная фаза - протекает при температуре 40-75°С и влажности солода 30-20%. В этом интервале температур повышается активность всех ферментов. При производстве светлого солода длительность фазы стремятся сократить во избежание его потемнения. Для этого быстро снижают влажность солода до 10%. При сушке темного солода, наоборот, обезвоживание проводят медленно, влажность в этой фазе снижают до 20%.

Химическая фаза - наступает при температуре свыше 75°С, когда ферменты инактивируются, и заканчивается при температуре около 80°С для светлого солода и около 105°С - для темного солода. При этой температуре солод выдерживают 3-4 ч (отсушка солода), понижая влажность светлого солода до 3-5%, а темного -до 1,5- 2,5%. Основным процессом при отсуш- ке солода является образование мела- ноидинов при взаимодействии редуцирующих Сахаров и низкомолекулярных продуктов распада белков (аминокислот и пептидов). Меланоидины придают солоду специфические цвет и аромат.

Для сушки солода применяют горизонтальные и вертикальные сушилки. В качестве примера рассмотрим непрерывно действующую с о- лодосушилку ЛСХА-5, разработанную Латвийской сельскохозяйственной академией. Производительность ее 5 т солода в сутки. В этой сушилке имеется две солодовые шахты, заключенные в металлический корпус, покрытый сверху теплоизоляционным материалом. Воздушные шахты по высоте разделены коробами, подводящими воздух, и перегородкой, благодаря чему воздух четырежды пересекает слой солода и образуется четыре зоны сушки. Солодовые шахты выступают над корпусом сушилки, образуя камеру подвяливания и загрузочные шахты. Сырой солод из солодовни подают на верх сушилки и разбрасывателем равномерно распределяют по двум отделениям камеры подвяливания, куда нагнетают холодный воздух. Из камеры подвяливания солод поступает в загрузочные шахты и, перемещаясь вниз, последовательно проходит все четыре зоны сушки. Из четвертой зоны сухой солод попадает в разгрузочные шахты, находящиеся под корпусом сушилки. Из разгрузочных шахт солод непрерывно выводится с помощью валков в бункер, откуда подается на отбивку ростков. Продолжительность сушки светлого солода 10,5-12 ч.

Преимущества непрерывно действующей солодосушилки ЛСХА по сравнению с горизонтальными и вертикальной периодического действия сушилками заключаются в сокращении срока сушки, что увеличивает в 2-3 раза ее производительность, в полной механизации и автоматизации контроля процесса сушки и управления им.

Сушилки ЛСХА изготовляются на разную производительность, для чего увеличивают число солодовых шахт и их длину (в плане).

Сушилки ЛСХА-5 расходуют 6,0- 8,7 МДж/ч тепла и 7,8 кВт-ч электроэнергии на 100 кг сухого солода.

Отделение ростков и созревание солода. Горячий солод из сушилки сразу же направляют на отделение ростков, пока они хрупкие и легко отламываются. Отделение ростков производят на росткоотбойной машине производительностью 1 т/ч с мощностью двигателя 1,25 кВт.

Свежевысушенный солод не пригоден для производства пива, так как затор из него медленно осахаривается и фильтруется, и дает пониженный вы
ход экстракта. Нормальные технологические свойства он приобретает только после хранения в течение 4-6 недель. Созревание солода происходит под действием влаги, поглощаемой им из окружающего воздуха. При этом оболочка и мучнистое тело теряют хрупкость и при измельчении дают нужный состав помола, вследствие чего снижаются потери экстракта и улучшается фильтрация затора, повышается активность ферментов и затор быстрее и полнее осахаривается.

Аппаратурно-технологическая схема производства пивоваренного солода представлена на рис. 1.

Рис. 1. Аппаратурно-технологическая схема производства пивоваренного солода:

1 - циклон-разгрузитель; 2 - сухой пылефильтр; 3- мокрый пылефильтр; 4- каплеуловитель; 5 - воздуходувка; 6, 31 - автоматические весы; 7, 19, 29, 32, 33 - бункера; 8 - замочный аппарат; 9 - бачок для приготовления дезинфицирующего раствора; 10, 13, 18 - насосы; 11 - сборник для сплава; 12, 16, 24, 25, 27 - вентиляторы; 14 - солодорастильный ящик «передвижная грядка»; 15 - камера кондиционирования; 17 - сборник отработавшей воды; 20 - транспортер; 21, 28 - нории; 22 - шнек; 23 - солодосушилка ЛСХА; 26 - паровой калорифер; 30 - росткоотбивочная машина; 34 - рычажные весы.

Потери ячменя и выход готового солода. В производстве пивоваренного солода потери ячменя и выход солода учитывают по разности между массой отсортированного ячменя, поступающего на замачивание, и массой свежевысушенного солода после отделения ростков. Так как влажность ячменя 14-15%, а светлого солода 3-4%, то в число потерь включается и разница во влажности. Это - кажущиеся потери. Истинные потери сухих веществ ячменя в производстве светлого солода (в % к массе сухих веществ) составляют в среднем: со сплавом при замачивании-1,0; на выщелачивание при замачивании - 0,6; на дыхание - 6,1; с ростками - 4,3. При выработке темного солода потери на дыхание увеличиваются до 7% и на образование ростков до 4,5%, а влажность сухого солода 1,5-2%.Из 100 кг отсортированного ячменя, взятого на замачивание влажностью 14-15%), получают 78- 79 кг светлого солода (влажностью 3%) или 74-76 кг темного солода (влажностью 1,5-2%)-

Отходы при очистке и сортировании ячменя колеблются в пределах 10- 12%.