Фракционирование зерна ячменя

Содержание белка в зерне пивоваренного ячменя – один из важнейших показателей химического состава, нормирующийся государственным стандартом. Белок является источником низкомолекулярных азотистых соединений солода, необходимых для питания дрожжей; многочисленные продукты гидролиза белков отвечают за пенообразование и коллоидную стабильность пива.

Высокой белковости (более 12 %) сопутствует пониженные содержание крахмала и экстрактивность (Przulj N., Motcilovic V., Mladenov N., 2000; Нарцисс Л., 2007), повышение содержания белка на 1 % снижает экстрактивность в среднем на 0,6-0,7 % (Enari T.M., 1971), а для некоторых сортов – на 0,9-1,0 % (Vonka Z., Hlavac M., 1973). Обнаружено, что снижение экстрактивности у ячменя с белковостью около 10-12 % незначительно (Kiss B., 1976). Для ячменей с большой массой 1000 зерен, высокой крупностью и низким содержанием цветковой оболочки отмечается высокая экстрактивность, несмотря на повышенное содержание белка (Голикова Н.В., 1981; Пасынков А.В., 2004); сорта с более массивной цветковой оболочкой и мелким зерном дают среднюю экстрактивность даже при низком содержании азота. В засушливые годы у богатого белком ячменя потери экстракта на 1% увеличения содержания белка ниже, чем в благоприятные годы у ячменя, бедного белком (Schildbach R., 1974). Коэффициент корреляции для показателей белковости и экстрактивности составляет в среднем по сортам –0,87 для уровня значимости 0,05 (Сливко В.И. и др., 1973; Ольгерт С.В., Голикова Н.В., 1977). В зависимости от содержания белковых веществ выход экстракта может варьировать в пределах около 3%.

Высокобелковое стекловидное зерно плохо разрыхляется, сильнее греется в процессе получения солода, дает нестабильное и не всегда прозрачное пиво с подчеркнуто хмелевым тоном (Нарцисс Л., 2007). С увеличением содержания белковых веществ ухудшаются процессы растворения во время солодоращения, что приводит к повышению вязкости затора, затруднению его фильтрования, брожения сусла и осветления пива. Солод из высокобелкового ячменя характеризуется повышенной плотностью (более 1,3), ухудшается белковая растворимость, содержание восстанавливающих веществ (редуктонов), необходимое для полноты вкуса и стабильности пива, не достигает требуемых значений.

Повышенное содержание белков положительно сказывается на активности β-амилазы (Vonka Z., Hlavac M., 1973), содержании аминного азота и высокомолекулярных белковых фракций в солоде, пенообразовании (Narziβ L., Röttger W., 1973).

Зерно с содержанием белка менее 8-9% не обеспечивает хорошего брожения из-за недостаточного белкового питания дрожжей (Коданев И.М., 1981). Пиво из такого зерна имеет низкую пенистость и не обладает нужным вкусом и букетом, может появляться хмелевой тон.

В настоящее время в Западной Европе нормальным считается содержание белка в ячмене для пивоварения в пределах 9-11%, а в экстремальные по погодным условиям годы допускается до 12,5%.

В 1883 году Кьельдалем был предложен метод определения белка (http://dic.academic.ru.), что позволило расширить исследования и повысить число публикаций по этому вопросу. В начале двадцатого века владелец крупного пивоваренного завода в Германии A. Haase (1903) на основании анализа результатов собственной лаборатории обосновал «закон о пригодности для пивоварения» только беднобелковых ячменей. В 1909 году в России Р.Э. Регель в монографии «Протеин в зерне русского ячменя» указывает на содержание белка в зерне как на главный критерий оценки пивоваренных качеств ячменя.

A. Gluss and Schmildt (1909) считали, что  при оценке сортов ячменя для  пивоварения нужно говорить не  о количестве белка, а о его  качестве, обращая внимание на  существование высокобелковых ячменей, дающих пиво хорошего качества, и наоборот. H.M. Langaster (1926) характеризовал некоторые из кормовых русских ячменей как пригодные «для приготовления прекрасного солода». И.М. Коданев (1958) указывает на оптимум содержания белка в пивоваренном ячмене – 9,5-10,0%, однако не исключает возможности получать пиво хорошего качества и при белковости 11-12% и даже более. Э.Д. Неттевич (1981) и Н.С. Беркутова (1991) говорят о высокой рентабельности использования в производстве пива зерна ячменя с содержанием белка от 9,0 до 12,5%. П.В. Щипак(1989) установил, что низкое (до 12%) содержание белка в зерне не всегда гарантирует качественную сторону прохождения технологических процессов при производстве пива и само по себе не может служить основным критерием оценки пивоваренных качеств ячменя. Т.В. Горпинченко, З.Ф. Аниканова (2002) на основании результатов многолетнего сортоиспытания делают вывод, что содержание белка в ячмене до 13% может быть приемлемым для его использования в пивоварении. Содержание белка 13,0 является как бы переломным, после чего начинается существенное снижение показателей качества солода и соответственно пива. Если в зерне содержится 13,0% белка, то перед окончательным выводом о его целевом использовании целесообразно проверить другие показатели качества (экстрактивность, разницу в экстрактивности между помолами, число Кольбаха).

Коданев (1958) сообщает о необходимости учитывать не только общий белок зерна, но и его фракционный состав, так как высокомолекулярная составляющая белков (глобулины и проламины) во многом определяет качество пива: пенообразующую способность, полноту осветления и аромат. Это подтверждается позднейшими исследованиями (Ольгерт С.В., 1977; Перуанская О.Н., Лебедева В.С., 1980).

Специалисты из Чехословакии (Горак Л., Догнал Л., 1961) выяснили, что белки с высокой молекулярной массой при прорастании зерна в процессе производства солода протеолитически расщепляются до низкомолекулярных, которые диффундируют в образующиеся ростки, которые в дальнейшем удаляются. Остаточное количество высокомолекулярного белка в ходе варки сусла коагулирует или извлекается вместе с пивной дробиной, не оказывая сильного воздействия на вкус и стойкость пива. Качество получаемого пива в основном определяет  легкая фракция белков – альбумозы и пептоны (Козьмина Н.М., 1961; Верхотуров В.В., Топорищева В.К., 2004). Именно от качественного состава белка во многом зависят качество пива, его пенообразующая способность, пеностойкость, питание дрожжей и в этой связи – интенсивность брожения (Шабурова Г.В., 2004).

В целом вопрос о содержании и значении белка в пивоваренном ячмене в нашей стране слабо изучен и представляет большую актуальность как в научном, так и практическом плане.

Содержание крахмала в зерне пивоваренного ячменя – важнейший качественный показатель химического состава зерна, государственным стандартом не нормируется. Экстрактивные вещества солода состоят на две трети из углеводов, образовавшихся из крахмала под действием амилаз. В пивоваренных ячменях отечественной селекции содержание крахмала в зависимости от сорта, технологии выращивания и погодных условий варьирует в пределах 45-67% (Сичкарь Н.М., Иванов Н.Н., 1958; И.М. Коданев, 1970; Хорева В.И., Лукьянова М.В., 1988). Для хорошего пивоваренного ячменя считается нормальным содержание крахмала от 58 до 65% по сухому веществу (Неттевич Э.Д. и др., 1981). Имеется четко выраженная обратная зависимость между количеством белка и крахмала в зерне (Fecenko J., Bizik J., Mazarik S, 1985; Kandera J.; Kandera M., 1986, 1987; Грязнов А.А., 1996).

Для ячменей, использующихся в производстве солода, рассчитано соотношение между экстрактивностью и содержанием белка, являющееся одним из критериев оценки способности к солодоращению, а также соотношение между экстрактивностью, содержанием белка и крахмала.

Характеристика  ячменя по физиологическим показателям.

Энергия прорастания и способность прорастания – основные показатели пригодности ячменя для солодоращения, определяются процентным отношением количества зерен, прорастающих при определенных условиях за 72 и 120 часов соответственно, к общему количеству анализируемых зерен. При прорастании зерна образуются ферменты, вызывающие распад белков и крахмала и прочие изменения в зерне. Причиной низкой способности прорастания может быть использование зерна, не прошедшего послеуборочного дозревания, подмоченного на корню или во время уборки, плохо или неправильно просушенного, долго хранившегося (особенно при повышенной влажности зерновой массы).

Базисные нормы способности прорастания предусмотрены ГОСТом для пивоваренного ячменя первого класса – не менее 95% и для второго – не менее 90% (Аниканова З.Ф., 2000). Ограничительные нормы по данному показателю не установлены.

Энергия прорастания ГОСТом не нормируется, но часто используется пивзаводами как показатель степени физиологической зрелости зерна и его готовности к солодоращению, характеризует равномерность и одновременность прорастания. У ячменя с завершившимися процессами послеуборочного дозревания показатель энергии прорастания соответствует 95-97% проросших зерен с корешками не менее длины зерна. В таком зерне наблюдается высокая активность ферментов, отвечающих за осахаривание крахмала, и происходит растворение эндосперма. Качество солода напрямую зависит от интенсивности и равномерности прорастания зерна.

Разрыв между способностью прорастания и энергией прорастания не должен быть более 2%. Если разница превышает 5%, это свидетельствует о неблагоприятных погодных условиях во время уборки или о ее несвоевременности (Н.С. Беркутова, 1991).

Непроросшие зерна («остаток») являются балластом. Их эндосперм не растворяется при солодоращении и часто инфицируется плесенями через замочную воду или в солодовнях. Солода с повышенным содержанием «остатка» медленно и неполно осахариваются, сусло из них отличается низкими конечной степенью сбраживания и содержанием ассимилируемого дрожжами азота, неудовлетворительно сбраживается и дает пиво плохого качества (Неттевич Э.Д, Сергеев А.В., 1971).

1.4 Причины разнокачественности зерна

Побеги кущения

Для формирования высокой урожайности ячменя важное значение имеет кущение.

Кущение - особая форма ветвления побегов, образование скученной группы боковых побегов близ основания главного из наземных и подземных побегов (образование куста). Участок главного побега, от которого отходят боковые, часто называют узлом кущения, хотя побеги образуются не из одного, а из нескольких сближенных узлов, поэтому правильное название — зона кущения или зона возобновления.

В фазе 3-4-х листьев на подземной части стебля ячменя образуется утолщение, зона кущения. Потенциал кущения растений программируется силой развития зоны кущения. При нормальных условиях выращивания она находится на глубине 1-3 см. В зоне кущения изначально размещаются все части будущего растения. Гибель зоны кущения из-за неблагоприятных условий или повреждения ее вредителями приводит к уничтожению целого растения. В случае отмирания части или даже всех листьев, или повреждения части корневой системы при живой зоне кущения растение сохраняет возможность дальнейшего роста и развития. Это эволюционное естественное приспособление злаков переносить неблагоприятные условия.

На значение кущения для урожая существуют два противоположных взгляда. Отдельные исследователи считают кущение важным резервом роста урожайности. Другие утверждают, что увеличение количества побегов влияет на уменьшение урожайности, т.е. отрицают целесообразность кущения, так как для побегов свойственна асинхронность в развитии, что приводит к их редукции (упрощению строения организма) на поздних фазах роста. Побеги кущения, сохранившихся к уборке, менее продуктивны по сравнению с главным. Кроме того, вторичные стебли, которые не дают зерна, непродуктивно используют влагу, свет и питательные вещества. Но есть много экспериментальных данных, в которых доказана ценность не только боковых продуктивных побегов. Так, С. Муравьев, В. Кумаков, J. Shananan и другие исследователи считают, что боковые побеги, которые даже не образуют зерна и являются временными конкурентами в борьбе за питательные вещества, свет и влагу, положительно влияют на урожайность. Боковые побеги формируют дополнительную корневую систему, которая после их отмирания работает на растение. Корневая система растения передает через зону кущения воду и питательные вещества во все побеги. Поглощающие сила, мощность работы корневой системы в процессе сброса части побегов усиливается. На ту же по размерам корневую систему остается меньше побегов, а значит, обеспечивается лучшее их рост и развитие. С помощью побегов увеличивается ассимилирующий аппарат, накапливает больше пластических веществ, позднее перемещаются в колосоносные стебли и повышают их производительность.

Матрикальная разнокачественность зерна

Под разнокачественностью понимают различия семян по морфологическим признакам, биохимическому составу и физиологическому состоянию, способности прорастать и обеспечивать определенную продуктивность растений в потомстве.

Матрикальная (материнская) разнокачественность — результат неодинакового местонахождения семян на материнском растении, что ведет к разному режиму их питания и разному влиянию материнского растения.

Матрикальная разнокачественность семян связана с состоянием самого растения в период после оплодотворения и образования зачатков семян, а также с местом формирования плодов и семян на растении. Формирование семян связано также с особенностями строения материнского растения. Даже с одного растения не получить семян, абсолютно одинаковых по качеству.

Это происходит потому, что семена вызревают неравномерно.

1.5 Фракционирование зерна по аэродинамическим свойствам на аспираторе

Перемещаясь в воздушной среде, любое тело преодолевает сопротивление воздуха, зависящее от его размеров, формы, массы и расположения в воздушном потоке. Чем больше сопротивление воздуха, тем медленнее движется свободно падающее тело. На этом принципе основан процесс выделения примесей и разделение зерна горизонтальным или вертикальным воздушным потоком. Обычно разделяемую смесь вводят в воздушный поток, создаваемый вентилятором, или подбрасывают, заставляя двигаться в воздухе.