Технология солода и солодовых экстрактов

Под солодоращением понимают проращивание различных видов зерна злаковых культур в специально создаваемых и регулируемых условиях. Для получения солода в основном используют ячмень и рожь, реже используют рис, пшеницу, овес и просо. Конечный продукт проращивания называется свежепроросшим солодом, в резульате высушивания он превращается в сухой солод. Цель солодоращения – накопление в зерне максимально возможного или заданного количества ферментов. Наибольший удельный вес в производстве солода занимает – пивоваренный.

Очистка и сортирование зерна. Зерновая масса (в основном ичмень), которая поступает на пивоваренные и солодовенные заводы, содержит зерна различных размеров и различные примеси и в таком виде непригодна для хранения и солодоращения. Примеси не только ухудшают качество зерна, но и создают условия для его порчи. Поэтому зерновую массу перед хранением очищают. В результате очистки из основной культуры выделяют минеральные примеси (земля, песок, пыль), органические примеси (ости, пустые пленки), семена дикорастущих растений, вредные примеси (спорынья, куколь, головня), зерновые примеси (щуплые, проросшие, битые зерна) и металлопримеси. Зерно подвергается очистке дважды: первичной — перед хранением и вторичной — непосредственно перед переработкой

Необходимость сортирования ячменя перед хранением обусловлена тем, что зерна различного размера обладают разной водочувствительностью, мелкие зерна интенсивнее поглощают влагу и в дальнейшем быстрее развиваются, чем крупные. Для обеспечения одинаковой влажности при замачивании и равномерного развития при проращивании прошедший первичную и вторичную очистки ячмень сортируют.

Рис. 7.1 - Принципиальная технологическая схема получения солодов

 

Замачивание ячменя. Содержание влаги ячменя, который находится на хранении, составляет 14... 15 %. Активные жизненные процессы в зародыше начинаются при влажности 30%, при 38% ячмень прорастает быстро и равномерно, хорошее растворение эндосперма и накопление ферментов наблюдаются при влажности 44...48 % и выше. Основная цель замачивания — увлажнение зерна до содержания влаги, оптимального для проращивания.

Превращения в зерне при замачивании. Объем зерна при замачивании увеличивается на 35...45 %. При замачивании вода поступает в зерно через отверстия в кончиках зерна, главным образом со стороны зародыша. В зрелом зерне его клеточные структуры представляют собой высохшие коллоидные структуры, мицеллы которых с большой силой притягивают к себе воду. Так, гумми-вещества способны поглотить (к массе сухого вещества) до 800 % воды, белковые вещества - до 180, крахмал - до 70 и целлюлоза —до 30 %.

Появившаяся в зерне свободная вегетационная влага обеспечивает переход в раствор ферментов и питательных веществ и их миграцию к зародышу. Это создает благоприятные условия для проникновения в эндосперм ферментов, которые переводят резервные нерастворимые вещества зерна в растворимые и легко усвояемые зародышем. В результате активации ферментов в зерне ускоряются биохимические процессы, особенно его дыхание. Нормальный ход аэробного дыхания зависит от наличия кислорода в среде. Во время замачивания 1 кг зерна за 1ч поглощает 63 мг кислорода и выделяет 86 мг диоксида углерода. При недостатке кислорода в воде может наступить анаэробное дыхание зерна с образованием этилового спирта, оксида углерода, уксусного альдегида и других вторичных продуктов спиртового брожения. Диоксид углерода, являющийся нормальным продуктом как аэробного, так и анаэробного дыхания зерна, отрицательно влияет на жизненные процессы, происходящие в зерне. Поэтому для обеспечения нормального развития зерна при замачивании его подвергают искусственной аэрации.

В результате замачивания происходят глубокая перестройка всего ферментативного комплекса зерна, активирование ферментов, особенно амилолитических и протеолитических.  Таким образом, замачивание можно считать первой стадией проращивания зерна.

Факторы, влияющие на процесс замачивания. Скорость замачивания: от температуры воды. Чем выше температура, тем быстрее вода поступает в зерно. С повышением температуры улучшается набухаемость белков, крахмала и клетчатки, что обусловлено снижением вязкости воды. Однако при повышении температуры замочной воды усиливается дыхание зерна и интенсифицируется размножение микроорганизмов В зависимости от температуры, используемой для замачивания, различают холодное (температура воды ниже 10°С), обыкновенное (температура воды 10... 15°С), теплое (температура воды 20...40°С) и горячее (температура воды 50...55°С) замачинание. Наиболее распространено обыкновенное (нормальное) замачивание.

Скорость замачивания зависит также от размера зерен. Крупное зерно замачивают дольше, чем мелкое.

Жесткость замочной воды не должна превышать 7 мг-экв/л, так как в мягкой воде замачивание ячменя происходит быстрее, чем в жесткой.

Вода поглощается зерном неравномерно. В первые 25...30ч замачивания содержание влаги зерна увеличивается очень быстро—со скоростью примерно 1 % за 1 ч и достигает 35...40 %. В последующие 30...40 ч содержание влаги увеличивается всего на 4...5 %.

Способы и технологические режимы замачивания зерна. При замачивании зерна выполняют следующие операции: мойку, удаление неполноценных зерен, дезинфекцию, увлажнение, которое сопровождается аэрированием и удалением образовавшегося диоксида углерода.

Замачивание начинается с мойки и дезинфекции. Цель этой операции — очистить поверхность зерна от загрязнений и удалить микроорганизмы, находящиеся на поверхности зерна. Качественная мойка обеспечивается в основном в результате отмокания загрязнений и интенсивного перемешивания зерна с водой гидравлическим или пневматическим способом. При этом на поверхность всплывают неполноценные зерна и органические примеси, которые называются сплавом. Последние вместе с грязной водой поступают в сливную коробку, откуда затем их удаляют. В качестве дезинфицирующих средств применяют водные растворы негашеной извести (1.5...3 кг на 1 т зерна) или перманганат калия (10... 15 г на 1 м³ воды).

Ячмень замачивают раздельно по сортам в открытых аппаратах периодического или непрерывного действия, которые оборудуют водяной и воздушной коммуникациями для подачи свежей воды и сжатого воздуха, устройствами для аэрации, перемешивания и перекачивания зерна.

Проращивание ячменя. Цель проращивания — накопление максимального количества ферментов и целенаправленное проведение при их участии процессов гидролиза и синтеза при строго определенных условиях — достаточном количестве влаги, с помощью которой осуществляется движение продуктов метаболизма; избыточном или ограниченном количестве кислорода воздуха; оптимальной температуре, от которой зависит интенсивность процессов; при рациональном использовании активаторов и ингибиторов ферментативных процессов; необходимом времени, которое определяет глубину протекания процессов.

Превращения в зерне при солодоращении. При проращивании в зерне протекают сложные морфологические и биохимические превращения. К морфологическим превращениям относятся развитие зародыша с ростом корешков и лепестков и нарушение клеточной структуры эндосперма, к биохимическим — активация ферментов, дыхание, превращение сложных веществ в простые.

Корешки должны иметь слегка увядшие кончики и обладать свежим запахом.

Значительные изменения происходят и в мучнистом теле зерна. Составные части стенок эндосперма, которые содержат в основном некрахмальные полисахариды и белки, гидролизуются, т. е. происходит их растворение. Это открывает гидролитическим ферментам путь к крахмалу и белкам эндосперма. Образование и активация ферментов в зерне неразрывно связаны с жизнедеятельностью зародышевого корешка. В дальнейшем ферменты продолжают свою деятельность и в условиях, неблагоприятных для развития зародыша, т. е. при отсутствии кислорода или при высоких температурах. Эту особенность ферментов используют для снижения потерь при солодоращении путем торможения развития зародыша на конечных этапах солодоращения и достижения глубоких химических изменений в зерне.

Ферменты в зерне распределены неравномерно, главным образом в зародыше, эндосперме, прилегающем к щитку, и в периферийных частях зерна.

Значительное количество ферментов в спелом зерне находится в неактивном, связанном с белками состоянии. При прорастании зерна белки под действием протеолитических ферментов расщепляются и связанные с ними ферменты переходят в свободное, активное состояние. Повышение ферментативной активности обусловлено также новообразованием ферментов. В начале солодоращения питание зародыша зерна обеспечивается небольшим запасом сахаров, аминокислот, минеральных и других питательных веществ, которые растворяются в воде при замачивании зерна. При прорастании в результате повышения активности ферментов начинается расщепление всех высокомолекулярных соединений зерна (крахмал, белки, липиды, некрахмальные полисахариды и др.) с образованием простых низкомолекулярных соединений, которые расходуются как на рост зародыша, так и на дыхание зерна. Дыхание — это важнейший энергетический процесс, осуществляемый под действием окси-доредуктаз, которые катализируют превращение углеводов, а также органических кислот, липидов и азотсодержащих веществ.

В зависимости от интенсивности аэрации в прорастающем зерне кроме диоксида углерода всегда образуется некоторое количество органических кислот, спиртов и эфиров, которые придают свежепроросшему солоду специфический запах, напоминающий запах свежих огурцов.

Амилазы гидролизуют крахмал с образованием глюкозы, мальтозы, мальтотриозы и различных декстринов. Одна часть из них немедленно расходуется, а другая остается в виде свободных сахаров, которые придают солоду сладковатый вкус. Одновременно количество крахмала уменьшается на 5... 10 %.

Протеолитические ферменты гидролизуют белки и полипептиды до пептидов и аминокислот. Гидролиз белковых веществ может достигать 50 %. В результате протекающих одновременно процессов синтеза к концу солодоращения 35...40 % белка становятся растворимыми. Содержание аминного азота увеличивается в 3...6 раз.

Органические фосфаты под действием фосфатазы расщепляются до неорганических фосфатов, а липиды под действием липазы — до глицерина и высших жирных кислот. Образование органических кислот, аминокислот и фосфатов приводит к повышению кислотности солода.

В целом в результате проращивания масса водорастворимых веществ в зерне увеличивается почти в 2 раза, т. е. с 7 до 14 %.

Факторы, влияющие на проращивание зерна. Холодный (12...16 °С) способ проращивания по всем показателям предпочтительнее, чем тепловой (выше 20 °С). Такой температурный режим обеспечивает умеренный рост зародыша, максимальное накопление гидролитических ферментов и глубокий распад белковых веществ. При температурах ниже 10"С снижается жизнедеятельность зерна, температура же выше 20°С приводит к непрерывному росту, растворению и повышенным потерям. Продолжительность проращивания светлых солодов 7...8 сут, темных солодов - 9 сут. Для полной активации ферментов и достижения желаемой степени растворения эндосперма содержание влаги в зерне должно быть 44...48 %. Суточные потери влаги составляют 0,3...1 %. Поэтому при ращении зерно необходимо увлажнять водой путем его орошения, количество которой определяют расчетным путем. Необходимо слой зерна продувать кондиционированным воздухом температу­рой на 2...3 °С ниже, чем в слое зерна, и содержанием влаги 98... 100 %, что обеспечивает заданную температуру ращения и удаление части образовавшегося диоксида углерода.

Для получения одинакового по качеству солода его необходимо разрыхлять (ворошить) 1...2 раза в сутки в зависимости от дня ращения.

Способы и технологические режимы проращивания солода. Температура замоченного зерна, подаваемого на ращение, должна быть 12... 14 °С. Процесс проращивания солода следует проводить так, чтобы зерно прорастало равномерно, с наименьшим количеством проростков и полным растворением эндосперма в конце проращивания. Различают токовые и пневматические солодовни. В токовой солодовне ячмень проращивают в тонком слое на бетонном или асфальтном полу (на току). Основной способ солодоращения — это пневматический, осуществляемый в специальных механизированных ящиках или барабанах, через которые продувается кондиционированный воздух.

В результате проращивания получают свежепроросший солод, который отличается от исходного ячменя наличием корешков с содержанием влаги 42...46 %, растворимостью мучнистого тела и характерным запахом свежих огурцов. Амилолитическая активность свежепроросшего солода возрастает до 300...400 ед. для светлого солода и 400...500 ед. для темного солода против 60...90 ед. в исходном зерне.

Сушка солода. Заключительная стадия производства солода — сушка свежепроросшего солода, цель которой — снижение содержания влаги материала с 40...50 до 3...6 % и придание солоду специфических вкуса, цвета и аромата при сохранении высокой ферментативной активности. Поэтому сушка солода представляет собой сочетание сложных нестационарных процессов тепло- и массообмена и биохимических превращений.

Превращения в солоде при сушке. Свежепроросший солод во время сушки претерпевает глубокие физические, физиологические и биохимические изменения, которые зависят от скорости обезвоживания, температуры сушильного агента, содержания влаги и условий сушки. Физические преобразования состоят в изменении содержания влаги, массы, цвета, аромата и вкуса солода. В зависимости от физиологических и биохимических превращений в солоде технология сушки разделяется на три основные фазы.

Первая фаза — физиологическая, в течение которой продолжается рост листка и корешков, протекают ферментативные про­цессы. Температура солода в течение 10... 12 ч повышается с 20...25 до 45 С. Содержание влаги уменьшается до 30 %.

Вторая фаза — ферментативная, длится 5...7 ч при повышении температуры от 45 до 70 "С. Рост и дыхание зародыша прекращаются, а ферментативные гидролитические процессы усиливаются. Это обусловлено пребыванием ферментов в зоне оптимальной температуры (40...60°С). Содержание влаги солода снижается от 30 до 10 %, что лимитирует протекание ферментативных реакций.

Третья фаза — химическая, протекает при температуре 70...80 °С для светлого солода и 100...105°С для темного солода. Содержание влаги снижается до 3...5 %. Длительность фазы 3...4 ч. При температуре выше 75°С все ферментативные реакции прекращаются. Ферменты частично инактивируются или переходят в связанное неактивное состояние, ферментативная активность постепенно увеличивается.

В процессе сушки солода существенно изменяется химический состав солода. В течение первых 10...15 ч сушки происходит ускоренный гидролиз крахмала, что приводит к увеличению количества сбраживаемых сахаров. При высоких температурах сушки изменяются состав солода и его органолептические показатели. Высокая активность протеолитических ферментов приводит к сильному расщеплению белков и накоплению продуктов их гидролиза.

Факторы, влияющие на процесс сушки. Правильное соотношение температура: содержание влаги — это важнейшее условие получения высококачественного солода. Рекомендуется соблюдать следующие соотношения. При изменении содержания влаги от 45 до 30% температура должна быть не выше 40°С.

Способы и технологические режимы сушки солода. Основное требование при сушке солода — обеспечение постепенного подъема температуры и соответствующего снижения содержания влаги солода. Для сушки солода применяют различные сушилки периодического и непрерывного действия. В качестве сушильного агента применяют либо нагретый в калорифере чистый воздух, либо смесь холодного воздуха с  газами. Последние получают сжиганием природного газа, мазута, кокса или угля. Для получения светлого солода его сушку проводят так, чтобы затормозить рост зародыша и дыхание зерна, не допустить глубокого гидролиза крахмала и белка. Для этого следует быстро удалить влагу при относительно низких температурах. Такой режим позволяет сохранить высокую ферментативную активность солода, так как высокая концентрация сухих веществ, предохраняет ферменты от инактивации. Аромат, вкус и цвет светлого солода формируются в последние 3 ч при отсушке, когда температура повышается до 80⁰С.

При сушке темного солода в отличие от светлого добиваются глубокого гидролиза белков и крахмала и интенсивного накопления сахаров и аминокислот. По окончании сушки у сухого солода отделяют ростки, которые могут быть причиной горького вкуса пива.

Свежевысушенный солод непригоден для переработки, и перед поступлением в производство его необходимо выдержать не менее 30 сут при температуре не выше 20 °С. Во время хранения содержание влаги солода повышается на 2...3 %, и нем происходят благоприятные физико-химические превращения (увеличиваются объем зерна, содержание азотистых и минеральных веществ, повышается активность ферментов и др.), что и итоге приводит к повышению качества солода. Охлажденный и сухой солод при оптимальных температуре и влаге может храниться без потери качества до двух лет.

Для получения солода в спиртовой промышленности исполь­зуют ячмень, рожь, пшеницу, овес и просо. Для осахаривания крахмалистого сырья применяют смесь солодов, в которой доля овсяного и просяного солода должна быть не менее 30 %. Запрещается использовать солод из той культуры, которая идет для производства спирта.

Отсортированное зерно моют, дезинфицируют и замачивают в аппаратах воздушно-водяным способом. Потери сухих веществ при нормальном цикле солодоращения составляют около 16 %.

В спиртовом производстве применяют свежепроросший солод, который предварительно измельчают. Основным показателем качества такого солода является ферментативная активность.