В пивоварении используют ячменный солод короткого ращения. В таком солоде присутствует достаточное количество ферментов при незначительных потерях крахмала. Более высокой диастатической способностью обладает солод длинного ращения, но потери крахмала в нем более значительны. Применяют этот солод, в основном, в спиртовом производстве, где он служит только осахаривающим средством. В связи с этим, задача солодоращения заключается в получении богатого ферментами солода, относительно чистого микробиологически, с хорошим растворением содержимого зерна, а для пивоваренного солода и с минимальными потерями крахмала. Во всех случаях повышение температуры ухудшает качество солода, понижает его экстрактивность, удлиняет время осахаривания, увеличивает разницу в экстрактивности тонкого и грубого помола. Экстрактивность солода по сравнению с экстрактивностью исходного ячменя при холодном режиме во всех случаях больше, и наоборот, экстрактивность солода, полученного при теплом режиме, меньше, чем исходного ячменя.
Целью является рассмотрение возможности применения статической солодовни с целью снижения энергозатрат и временных ресурсов без ухудшения качества получаемого солода. Для достижения данной цели были определены следующие задачи:
составить литературный обзор по выбранной теме;
выполнить продуктовый расчет получения светлого солода;
выполнить расчет и подбор технологического оборудования;
составить аппаратурно-технологическую схему производства и описать ее;
рассмотреть вопросы технохимического контроля, охраны окружающей среды и производственной санитарии на производстве.
Ячмень является древнейшим злаковым культурным растением, выращиваемым человеком. Его окультуривание длится больше 10 тысяч лет и произошло на Ближнем Востоке. Однако есть сведения, что древние палестинцы питались им 17 тысячелетий назад. Сегодня в диком виде он занимает большие площади от Северной Африки до Тибета.Древнейшие представители культурного злака обнаружены в Сирии, которые относятся к докерамическому периоду. Его нашли в гробницах Египта (каменный и бронзовый века). Археологические исследования доказывают большое распространение ячменя в далекое время, и не исключают независимое его окультуривание народами на различных территориях. В средневековье европейские крестьяне питались ржаным и ячменным хлебом, поскольку хлеб из пшеницы входил в пищевой рацион лишь привилегированных классов. И только к 19-му веку ячмень стал вытесняться картофелем. Проникновение его на Русь произошло из Азии с Сибири и Кавказа .
Ячмень – холодоустойчивый злак, который хорошо растет в районах севера и высокогорья. Вследствие этого он был и является сейчас важнейшим пищевым продуктом для жителей указанных территорий, поскольку иные хлебные культуры культивировать там затруднительно или невозможно. Его широко используют не только как хлебную культуру, но и как кормовую для скота и птицы.
Биологический состав ячменя
Ячменные зерна содержат белки (13%), жиры (3,5%), углеводы (75%), крахмал (60%), гемицеллюлозу (6,5%), пектины (2%). Они богаты аминокислотами (незаменимыми и заменимыми). Из первых присутствуютметионин, валин, лизин, изолейцин, лейцин, триптофан, треонин, фенилаланин. Из вторых – аргинин, аланин, гистидин, цистин, глицин, серин, пролин, тирозин, аминоянтарная и глутаминовая кислоты.
Витаминный ряд составляют бета-каротин, провитамин А, B1, В2, Р, В6, В15, Е, холин и некоторые другие. Элементная базу представляют цинк, марганец, кремний, медь, калий, фтор, кальций. Одновременно в ней присутствуют олово, цирконий, селен, никель, молибден, хром и другие элементы. В ячменной муке имеется много полисахарида бета-глюкана, понижающего холестерин. Противогрибковый антибиотик гордецин, эффективный при кожных болезнях, был выделен именно из ячменя.
Классификация ячменя
- по агротехническим признакам: озимый, высеваемый в сентябре – октябре, и яровой, высеваемый в марте – апреле;
- по морфологическому признаку: двухрядный, шестирядный.
Более предпочтительным для пивоварения является двухрядный яровой ячмень. Зерна такого ячменя одинаковые по размеру и форме. Солод получается лучшего качества с высоким выходом экстракта.
Строение зерна
Зерно ячменя — зерновка, состоящая из основных частей:
- зародышевая часть;
- мучнистое тело;
- оболочки.
Зародышевая часть состоит из зародышей стебля, корешка и листка. От мучнистого тела (эндосперма) зародыш отделен щитком и слоем эпителия — клетки вертикальной формы сочень тонкими стенками. Эндосперм (мучнистое тело) состоит из клеток с крахмальными зернами большого и малого размера. Стенки клеток в основном состоят из полисахаридов
b-глюканов 70%. Остальные 30% составляют: пентозаны, белок, маннан, целлюлозу, фенольные и уроновые кислоты. Мучнистое тело окружено алейроновым слоем, состоящим из многочисленных клеток, богатых белками. При солодоращении именно алейроновый слой служит местом
образования ферментов. Клетки алейронового слоя включают в себя алейроновые зерна с окружающими их клеточными стенками. Алейроновые зерна состоят из белка и не содержат крахмал, клеточные стенки включают себя структурные углеводы: пентозаны (70%) и b-глюканы (30%). Следом за алейроновым слоем идут оболочки. Они состоят из клеточных слоев, объединенных в три основные оболочки:
- мякинную или цветочную;
- плодовую или перикарп;
- семенную или теста.
Из зерновых культур, используемых в пивоварении, только ячмень имеет мякинную оболочку. При солодоращении она практически не изменяется. Состоит в основном из целлюлозы и небольшого количества липидов (жиров), кремниевой кислоты и полифенолов, которые важны при фильтрации затора ипроращивании зерна, в тоже время отрицательно влияющие на коллоидную стойкость пива. Плодовая оболочка по своей структуру очень тонкая и особого воздействия на качество пива не оказывает. Зачастую плодовая оболочка срастается с семенной. Семенная оболочка содержит большое количество фенольных соединений, снижающих коллоидную стабильность пива.
Химический состав ячменя
Влажность зерна ячменя в среднем составляет 13-15%, но в зависимости от климатических условий сборки может варьироваться от 8% до 20%. Для лучшего хранения зерно должно иметь влажность 15%. Влажность ниже 10% приводит к необратимому ухудшению прорастаемости зерна. Остальную часть зерна называют сухим веществом (СВ), оно включает в себя:
- общие углеводы 70,0 — 85,0%;
- белок 8,0 — 16,0%;
- минеральные вещества 2,0— 3,0%;
- жиры 2,0— 5,0%;
- прочие вещества 1,0— 2,0%.
Общие углеводы представлены крахмалом (50-63%), простыми сахарами и целлюлозой. Большая часть углеводов в зерне хранится в недоступном для дрожжей состоянии. Небольшое количество сахаров в основном представлено сахарозой, которая образуется в процессе частичного разрушения крахмала при хранении и сборе урожая. Целлюлоза — структурный компонент оболочек зерна. Ферменты, образуемые при проращивании зерна, не способны ее разрушить. Однако в пивоварении не стоит дополнительно вносить ферменты микробиологического действия для ее разрушения и получения большего выхода спирта. При приготовлении пива оболочки зерна из целлюлозы стоит сохранить, т.к. они выступают в качестве фильтрующего материала. Белки включают в себя высокомолекулярные белки (протеины) и продукты их расщепления. Протеины — высокомолекулярные белки, состоящие из большого количества различных аминокислот, нерастворимых в воде. При кипячении большая часть протеинов коагулирует и выпадает в осадок. Продукты расщепления составляют меньшую часть от общего количества белка и делятся на две подгруппы:
- высокомолекулярные продукты расщепления;
- низкомолекулярные продуты расщепления.
Высокомолекулярные продукты расщепления и протеины дрожжами не усваиваются. Высокомолекулярные продукты расщепления отвечают за пенообразование, а протеины в процессе солодоращения, варки затора и брожения могут разрушаться на высокомолекулярные и низкомолекулярные продукты расщепления. Так же некоторые протеины в процессесолодоращения преобразуются в необходимые ферменты.Для дрожжей особую ценность представляют низкомолекулярные продукты расщепления. Аминокислоты активно используются дрожжами как строительный материал, а также играют важную роль в образовании аромата.
В процессе солодоращения в зерне также накапливаются ферменты, которые проводят разрушения протеинов до высокомолекулярных и низкомолекулярных продуктов. Норма белка в ячмене составляет 10,5-11%. Уменьшение этой величины приводит к снижению ферментативной активности зерна, что в свою очередь сказывается на процессах солодоращения и приводит к отсутствию пенообразования в напитке. Увеличение белка приводит к плохой фильтрации, слабой коллоидной стойкости (появлению помутнений). Минеральные вещества необходимы для активного развития дрожжевой клетки. Жиры в основном содержатся в зародыше (10-40% от сухого вещества) и алейроновом слое (6-12%),в эндосперме 2%. Около 1,7% от сухого вещества ячменя составляют жирные кислоты, большая часть ненасыщенных. Состав жирных кислот важен с точки зрения влияния на пенообразование. Отрицательно влияют высокомолекулярные ненасыщенные жирные кислоты, такие как: линолевая, пальмитиновая, олеиновая, линоленовая. Они являются причиной «старения пива»— приводят к изменению химического состава во время хранения. Однако эти кислоты используются дрожжами для построения клеточных мембран (при росте и размножении), необходимые при недостатке кислорода в начале брожения пива. Жиры являются высокоэнергетическим резервным веществом, которое используется при проращивании зерна. При прорастании зерно теряет около 30% липидов в результате гидролиза (расщепления сложных веществ на простые) на глицерин и жирные кислоты. Часть жирных кислот участвует в обмене веществ, а именно в синтезе корешка и ростка. Другая часть подвергается дальнейшему расщеплению ферментом липоксигеназой, активируемой у зародыша при прорастании.
Продукты гидролиза ответственны за появление огуречного запаха при прорастании солода. Прочие вещества включают в себя дубильные вещества, полифенолы и витамины. Дубильные вещества и полифенолы содержатся в оболочках зерна. По своей природе данные компоненты обладают высокими ароматическими свойствами и несут в себе неприятный горький вкус. Являются ингибиторами прорастания зерна, в пиве отрицательно влияют на вкус, цвет и на коллоидную стойкость пива. Витамины в зерне в основном представлены водорастворимой группой. Они активно участвуют в обменных процессах, протекающих в дрожжевой клетке. Недостаток витаминов отрицательно сказывается на скорости брожения и качестве протекаемого процесса, а также на общем состоянии дрожжевой клетки.
1.5.Качественные характеристики ячменя
Пивоваренный ячмень оценивается по следующим качественным характеристикам:
- органолептические показатели (цвет, запах, форма, выравненность, крупность, стекловидность, пленчатость, содержание примесей);
- физиологические показатели (энергия и способность прорастания, водочувствительность);
- химические свойства (влажность, экстрактивность, содержание крахмала, титруемая кислотность, содержание белка);
- механические свойства (абсолютная масса 1000 зерен, натура).
Физиологические, биохимические и физико-химические процессы при хранении ячменя
Неотлежавшийся, свежеубранный ячмень плохо прорастает. Поэтому для достижения физиологической зрелости ему необходимо дать время дозреть при определенных условиях. Послеуборочное дозревание проходит от 4 до 8 недель. Причиной плохого прорастания является отсутствие притока воздуха к зародышу, т.к. структура оболочек ячменя после уборки непроницаема для кислорода, она пропитана такими веществами как жир, воск и т.д. Для ускорения дозревания зерно продувают горячим воздухом t=80 0С в течение 4 минут или теплым воздухом t=40-50 0С около 2-4 часов до влажности 12%. Низкая температура подогрева увеличивает ферментативную активность. При послеуборочном дозревании и тепловой обработке разрушаются ингибиторы и зерно становится физиологически готовым к прорастанию. При хранении протекают такие процессы, как дыхание и самосогревание зерна. Во время хранения зерно находится в состоянии покоя.
Влажность в 14-15% называется критической влажностью. Влага в зерне, как несложно догадаться, представлена водой. Она находится в двух состояниях:
- свободном;
- связанном.
Вещества, находящиеся в зерне способны связывать большое количество воды. Процесс поглощения влаги происходит до тех пор, пока влажность зерна не достигнет равновесия с влажностью окружающей среды (равновесная влажность). Быстрее всего поглощение воды происходит зародышем, затем оболочками зерна, потом эндоспермом. Не стоит забывать, что зерно имеет способность впитывать влагу из различных примесей, поэтому перед хранением зерно очищают.
Термофильные бактерии при своем развитии повышают температуру зерна и активируют самосогревание. Процесс самосогревания зерна начинается с деятельности ферментов дыхания. Развитие микроорганизмов является следствием физиологических процессов, происходящих в зерне .
ПРОДУКТОВЫЙ РАСЧЕТ
При выполнении расчета пользовался нормами отходов и потерь по стадиям производств солода и значениями влажности и насыпной плотности зерна.
Ячмень товарный- влажность 15%, насыпная плотность зерна 630кг/м².
Ячмень сортированный- влажность 14,5%, насыпная плотность 630кг/м².
Солод свежепророщенный-влажность 42%, насыпная плотность 390кг/м².
Солод высушенный- влажность 3%, насыпная плотность 510кг/м².
Солод товарный-влажность 5%, насыпная плотность 530кг/м².
Солодовенное предприятие готовит светлый ячменный солод и имеет производительность 300 тыс. тонн в год.
Расчет получения солода из 100 кг ячменя
Потери при первичной очистке ячменя составляет 5,8%. Тогда масса очищенного ячменя рассчитываю по формуле:
Qоя= Qячх(100-По)/100, кг (1)
где Qоя- масса очищенного ячменя, кг;
Qяч- масса привезенного ячменя, кг;
По- потери при первичной очистке, %.
Qоя=100х(100-5,8)/100=94,2 кг
Потери при хранении в силосах составляет 0,05%. Количество ячменя после хранения рассчитывал по формуле:
Qях= Qоях(100-Пх)/100, кг (2)
где Qях- масса ячменя при хранении, кг;
Qоя- масса очищенного ячменя, кг ;
Пх- потери при хранении, %.
Qях= 94,2х(100-0,05)/100=94,1 кг
Потери при вторичной очистке и сортировке ячменя составляют 12% (так как третий сорт ячменя относится к зерновым отходам) сортировку ячменярассчитывают по формуле:
Qося=Qях(100-Пос)/100, кг (3)
где Qося- масса очищенного сортировочного ячменя, кг;
Qях- масса ячменя хранения, %;
Пос- потери очищенного сортировочного ячменя, кг.
Qях= 94,1х(100-12)/100=88,7 кг
Потери со сплавом при мойке и дезинфекции зерна составляют 1%. Количество вымытого ячменя рассчитывают по формуле:
Qвя= Qосях(100-Пвя)/100, кг (4)
Где Qвя- масса вымытого ячменя, кг;
Qося- очищенный отсортированный ячмень, кг;
Пвя- потери при вымытого ячменя, %.
Qвя=88,7х(100-1)/100=87,8 кг
Потери при замачивании, проращивании и сушке составляют 6,3%. Количество свежепророщенного солода рассчитывают по формуле:
Qсс= Qвях(100-Псс)/100, кг (5)
где Qсс- масса высушенного солода, кг;
Qвя- - масса вымытого ячменя, кг;
Псс- потери при сушке солода,%.
Qсс= 87,8х(100-6,3)/100=82,2 кг
Потери в росткоотбойной машине составляют 4%. Количество готового солода перед отлежкой рассчитывают по формуле:
Qгс= Qссх(100-Пгс)/100, кг (6)
где Qгс- масса готового солода , кг;
Qсс- масса высушенного солода, кг;
Пгс- потери солода в росткоотбойноймашине,%.
Qгс= 82,2х(100-4)/100=78,9 кг
При отлежке солода потери составляют 0,065%. Количество товарного солода рассчитывал по формуле :
Qос= Qгсх(100-Пос)/100, кг (7)
где Qос- масса солода после отлежки, кг;
Qгс- масса готового солода , кг;
Пос- потери при отлежкесолода,%.
Qос= 78,9х(100-0,065)/100=78,8 кг
Таким образом, выход товарного солода из 100кг неотсортированного ячменя составляет 78,8 кг.
Расход воды на мойку, дезинфекцию и замачивание ячменя составляет 6-8 м3/тонну зерна, следовательно, расход воды составит:
8 м3-1000 кг
0,8-1000 кг
Хвод=8х100/1000=0,8 м3
Расчет получения солода на производственную мощность
Потери при первичной очистке ячменя составляет 5,8%. Тогда масса очищенного ячменя рассчитываю по формуле:
Qоя= Qячх(100-По)/100, кг (8)
где Qоя- масса очищенного ячменя , кг;
Qяч- масса привезенного ячменя, кг;
По- потери при первичной очистке, %.
Qоя=4200000000х(100-5,8)/100=395640000 кг
Потери при хранении в силосах составляет 0,05%. Количество ячменя после хранения рассчитывал по формуле:
Qях= Qоях(100-Пх)/100, кг (9)
где Qях- масса ячменя при хранении, кг;
Qоя- масса очищенного ячменя
Пх- потери при хранении, %.
Qях= 395640000х(100-0,05)/100=395442180 кг
Потери при вторичной очистке и сортировке ячменя составляют 12% (так как третий сорт ячменя относится к зерновым отходам) сортировку ячменя рассчитывают по формуле:
Qося=Qях(100-Пос)/100, кг (10)
где Qося- масса очищенного сортировочного ячменя, кг;
Qях- масса ячменя хранения, %;
Пос- потери очищенного сортировочного ячменя, кг.
Qях= 395442180х(100-12)/100=347989118 кг
Потери со сплавом при мойке и дезинфекции зерна составляют 1%. Количество вымытого ячменя рассчитывают по формуле:
Qвя= Qосях(100-Пвя)/100, кг (11)
Где Qвя- масса вымытого ячменя, кг;
Qося- очищенный отсортированный ячмень, кг;
Пвя- потери при вымытого ячменя, %.
Qвя=347989118х(100-1)/100=344509227 кг
Потери при замачивании, проращивании и сушке составляют 6,3%. Количество свежепророщенного солода рассчитывают по формуле:
Qсс= Qвях(100-Псс)/100, кг (12)
где Qсс- масса высушенного солода, кг;
Qвя- - масса вымытого ячменя, кг;
Псс- потери при сушке солода,%.
Qсс= 344509227х(100-6,3)/100=322805146 кг
Потери в росткоотбойной машине составляют 4%. Количество готового солода перед отлежкой рассчитывают по формуле:
Qгс= Qссх(100-Пгс)/100, кг (13)
где Qгс- масса готового солода, кг;
КП 20.19.02.05.008ПЗ
Qсс- масса высушенного солода, кг;
Пгс- потери солода в росткоотбойноймашине,%.
Qгс= 322805146х(100-4)/100=309892940 кг
При отлежке солода потери составляют 0,065%. Количество товарного солода рассчитывал по формуле:
Qос= Qгсх(100-Пос)/100, кг (14)
где Qос- масса солода после отлежки, кг;
Qгс- масса готового солода , кг;
Пос- потери при отлежкесолода,%.
Qос=309892940х(100-0,065)/100=309691510 кг