Реферат: Расчет поверхности теплопередачи сусловарочного аппарата, для варки сусла с хмелем

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет пищевых производств.

Кафедра технологии пищевых производств и парфюмерно-косметических продуктов.

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине: Технологическое оборудование отрасли

На тему: Расчет поверхности теплопередачи сусловарочного аппарата, для варки сусла с хмелем..

.

Выполнил: студент VIЗФ ФПП 10Б

Иванова А.Ю.

Проверил: профессор Макарова Н.В.

Самара, 2011

Содержание

Введение

Хотя в том или ином виде пиво существовало во многих странах с незапамятных времен, именно хмель произвел в пивоварении подлинную революцию. Хмелеводство началось в Европе в эпоху великого переселения народов. Кстати, хмель был известен еще в Древней Руси, откуда, вполне возможно, и попал в центральную Европу. Первое упоминание о хмеле относится к VIII веку, однако важнейшим компонентом пива он стал только в XII веке. Впервые добавлять хмель в пиво попробовали при Карле Великом, приблизительно в 800 году. В Германии хмель ценился настолько высоко, что им даже уплачивали государственные пошлины. Постепенно он превратился в европейскую валюту, на первых порах, впрочем, не вполне конвертируемую, так как в Англии до XV века хмель был запрещен к употреблению.

Есть мнение, что именно в монастырях возникла и реализовалась идея добавлять в пиво хмель. Монахи вели изыскания более систематично, чем ремесленники-пивовары, а кроме того, они были грамотны и записывали результаты своих опытов, сохраняя их для следующих поколений. Монастырское пиво становилось все лучше и лучше, в том числе благодаря хмелю. Охраняемых границ в ту пору в центральной Европе не было, и секреты пивоварения со странствующими монахами перемещались из монастыря в монастырь. В конце концов монастыри официально получили право заниматься производством и торговлей пивом, превратившись в настоящие форпосты пивоварения, а некоторые сохранили этот статус до наших дней.

Хмель является третьим основной компонент пива. Во многих странах хмель считался ядовитым растением, и поэтому попытки внедрения хмеля в пивоваренное производство нередко встречали решительный отпор, вплоть до полного запрещения, как, например, в Англии до XV века. Английский эль с хмелем и сегодня называется "биттер", то есть горький, хотя его хмелевая горечь почти незаметна в сравнении с другими сортами пива.

Хмель (Humulus lupulus) - однолетнее вьющееся растение, относящееся к семейству коноплевых. Его побеги могут взбираться на высоту шесть-восемь метров. Хмель - двуполое (двудомное) растение. В пивоварении используются только неопыленные женские цветки - мягкие пушистые шишечки. Именно в них необходимые пиву вещества сконцентрированы в наибольшей степени. Согласно старой поговорке, "плантации хмеля должны быть похожи на женский монастырь".

Хмелевые шишки выделяют горькое смолистое вещество - лупулин, содержащий большое количество ароматических смол и эфирных масел, в частности альфа-кислоту (хумулон) и бета-кислоту (лупулон), а также танины (дубильные вещества), алкалоид хопеин и некоторые гормоны. Самой важной для пивоварения является альфа-кислота. Свойства лупулина изучены еще недостаточно, хотя давно известно, что хмель помогает противостоять болезням - например, больным туберкулезом рекомендовали пить побольше пива. Особенно же ценилась способность хмеля продлевать срок хранения напитков.

Хмель придает пиву приятную горечь и характерный аромат, увеличивает прозрачность, улучшает пенообразование. Кроме того, хмель - естественный антисептик и консервант, он подавляет деятельность бактерий и тем самым предотвращает скисание сусла и готового пива. На приготовление одного гектолитра (100 литров) пива идет от 200 до 700 граммов хмеля.

Из общего количества задаваемых горьких хмелевых веществ; в готовом пиве остается только около 20%. Почти такая же доля при варке вообще не переходит в раствор и значительная часть теряется в последующих производственных процессах, главным образом при охлаждении сусла и при главном брожении и дображивании. С точки зрения качества пива нет необходимости, что­бы в него перешло больше горьких веществ, чем это нужно по вкусовым и технологическим требованиям. Однако попытки по­лучить из хмеля больше ценных веществ, чем удается получить их при нормальной варке, оправданы с экономической точки зрения.

Уже в конце прошлого столетия использовали машину, с по­мощью которой прилистники отделяли от стерженька и стебель­ков. Хмель несколько лучше выщелачивался, однако мелкие ча­стицы хмеля попадали в отстойные чаны и увеличивали долю горькой мути и потери экстракта; вкус пива был более резким. Кроме того, испытывалось дробление хмеля на мо­лотковых мельницах как в сухом, так и во влажном состоянии в водной среде. При дроблении в сухом виде хмель в мельнице на­гревался и тем самым ухудшалось его качество.

Измельченный хмель используют также при способе примене­ния его по Гессбергу. После окончания кипячения сусла с хмелем его отка­чивают одновременно с суслом в отстойные чаны, и после осаж­дения удаляют вместе с отстоем и используют для затирания следующей варки. Вместе с дробленым солодом он проходит че­рез процесс затирания и удаляется вместе с дробиной.

Для лучшего использования хмеля применяют также различ­ные экстракторы. Это, как правило, цилиндрические резервуары с мешалками, которые устанавливают между фильтрационным ча­ном и сусловарочный котлом. Через экстрактор протекает первое сусло и промывные воды, с помощью которых хмель выщелачива­ется. При движении в жидкости хмель измельчается и выщелачи­вается лучше, чем при нормальном кипячении. Однако экстраги­рование протекает при иных условиях, чем при варке в котле, а это влияет на вкус пива. Даже несмотря на экономию, получае­мую при использовании этого способа, экстракторы не нашли ши­рокого применения в практике.

Для лучшего использования хмеля применяли также ультра­звук. При этом предполагалось, что обработка ультразвуком об­легчит выщелачивание горьких веществ хмеля и их изомериза­цию. Был использован также слышимый звук. В обоих случаях подтвердилась возможность повысить таким образом использо­вание хмеля. Имевшиеся первоначально очень оптимистиче­ские по этому способу сообщения, даже проверенные на прак­тике, впоследствии на основе точных аналитических исследований и основательных дегустационных опытов были несколько откор­ректированы. Кроме того, нельзя точно установить эффект, кото­рый достигается с помощью этого способа. Так же были попытки выщелачивать хмель под давлением в горячей воде.

Наибольшей же экономии хмеля можно достигнуть, используя вместо шишкового хмеля хмелевые экстракты.

Попытки найти другие возможности лучшего использования хмеля продолжаются. Однако функции хмеля при производстве пива настолько широки и определение неустойчивых соединений его, а также проведение достоверных дегустационных опытов так затруднительно, что точное определение экономии хмеля при использовании различных методов часто довольно проблема­тично.

1.Ботаника и морфология хмеля

Хмель — это высушенные хмелевые шишки, представляющие собой разросшиеся женские соцветия европейского хмеля (Humulus lupulus) из семейства коноплевых (Cannabaceae).

Хмель двудомное многолетнее растение. Для пивоварения вы­ращиваются только женские растения, соцветия которых долж­ны оставаться неоплодотворенными. Хмелевое растение может насчитывать несколько десятков лет, однако спустя 20—30 лет его продуктивность снижается.

Основной подземной частью растения является деревянистая бабка или хмелевая матка, которая вырастает из черенка и об­разует могучую и богато разветвленную корневую систему. Из бабки в свою очередь вырастают горизонтальные или наклонные корневища и вертикальные побеги. Подземные части этих побе­гов, так называемое молодое дерево, образуют собственную лет­нюю корневую систему. Молодое дерево используют в виде че­ренков для вегетативного размножения хмеля.

Вертикальных побегов бывает большое количество, однако обычно заводят только два. Надземная часть хмелевого растения, стебель или лоза имеет в сечении шестигранную форму, стебель полый, вьющийся, правого вращения, покрытый волосками. На каждом колене стебля вырастает по два встречных листа, трех- и пятипальчатых. В пазухах листьев вырастают боковые веточки, которые в верхней части образуют соцветия.

Окраска хмелевого стебля считается характерным признаком и может быть зеленой и красной, почти фиолетовой. В практике хмель делят по окраске на зеленый и красный; переходным ти­пом являются полукрасные. Почти все культурные сорта хмеля относятся к группе красных.

Соцветия женских растений вначале образуют околоцветники или розетки и вырастают в шишечки длиной от 3 до 5 см. Ши­шечки имеют зеленый или слегка красный цвет и содержат осно­ву будущих прилистников и кроющих листков, из пазух которых торчат пестики, похожие на короткие, тонкие нити. При созрева­нии из соцветий образуются шишки. Основой хмелевой шишки является короткий покрытый волосками, характерно изогнутый стерженек. На каждом колене стерженька вырастают два при­листника, сильно заостренные на концах, под ними четыре за­кругленные на концах кроющие листка, а из их пазух торчат че­тыре пестика.

Равномерное построение шишки типично для здоровых и куль­турных видов хмеля. Форма шишки колеблется от шарообразной до удлиненно-цилиндрической; культурные сорта хмеля чаще всего имеют шишки яйцевидной формы, на конце закрытые. Рав­номерный изгиб стерженька и расположение на нем прилистни­ков и кроющих листков типично для отдельных сортов. Цвет шишек зрелого хмеля зеленый, а оттенки от желто-зеленого до золотисто-зеленого. Стерженек, кроющие листки и в меньшей степени и прилист­ники у основания покрыты лимонно-желтыми или золотисто-жел­тыми железками, которые при созревании образуют зернышки лупулина (хмелевая мука) диаметром от 0,15 до 0,25 мм; лупу­лин является наиболее ценной частью хмеля.

Железки состоят из полигональных клеток, образующих пу­зырьки, которые наполнены желтым секретом, содержащим горь­кие вещества и эфирное масло. Небольшая доля этих веществ имеется также в кроющих листках и прилистниках шишки. Цвет лупулина является внешним признаком качества, а его количест­во — признаком продуктивности хмеля. Лупулин темнеет при сушке хмеля при температуре выше 45°С, а также от поражения милдью и от старения при хранении. Старый хмель имеет лупулин красно-коричневого цвета, без блеска. Светло-лимонный цвет лупулина иногда бывает признаком незрелости шишек. Количе­ство и цвет лупулина можно определить путем продольного раз­рыва шишки. Более бедным лупулином бывает опыленный хмель. Такой хмель содержит круглые и трехгранные семена диаметром 2 мм, твердые красно-коричневой и фиолетовой окраски. У неопыленных, однако, хорошо ухоженных сортов хмеля, встречаются разросшиеся семенники, мягкие и не имеющие зародыша.

С точки зрения культивации хмель является очень трудоемкой культурой. Для него требуется высоко урожайная богатая кальцием земля с растворимым подпочвенным горизонтом. Особенно подходят земли с высоким содержанием железа, как, например, жатецкие красные земли пермского происхождения. В чехословацких хмелеводческих областях земли глинисто-песчаные и тяжелые, почти илистые.

1.1 Сорта хмеля

Среди сортов хмеля различаются районные и селекционные сорта. Районные сорта возникли из местных сортов путем многолетнего отбора в определенной области выращивания. Селекционные сорта получены путем селекции или скрещивания. У сортов, выведенных селекцией и вегетативным размножением, различаются популяции и клоны. Путем скрещивания или скрещивания и вегетативного размножения получают гибриды, которые являются облагороженными сортами. У культурного хмеля насчитывается около 100 сортов.

В практике возделывания, как уже было сказано, хмель разделяется по цвету лозы на красные и зеленые сорта; переходным типом являются полукрасные.

Красные сорта имеют лозу, окрашенную антоциановым красителем, от красного до красно-фиолетового цвета. Они растут довольно быстро и поэтому бывают ранние и полуранние. У красных сортов хмеля шишки светло-зеленого цвета, яйцевидной формы и хорошо закрытые. Они богаты лупулином, имеющим хороший хмелевой аромат. С агротехнической точки зрения красные сорта хмеля имеют недостаток, заключающийся в том, что шишки их быстро перезревают и открываются, в результате чего при несвоевременной уборке происходят потери лупулина.

Зеленые сорта имеют зеленую лозу. Эти сорта растут медленнее и поэтому позднее созревают. Шишки у них тоже светло-зеленые, но более крупные. Лупулин образует более крупные зернышки, имеет красноватый цвет и запах его острее. Поскольку качество такого хмеля хуже по сравнению с красными сортами и не уравновешивается некоторыми его агротехническими преимуществами, то зеленые сорта, как правило, отбраковываются.

Полукрасные сорта имеют лозу почти зеленого цвета с красными черенками листьев. Их значение вспомогательное.

При оценке различают хмель тонкий или селекционный, а так­же средний и грубый. Хмель из Жатецка счи­тается лучшим в мире.

Признаки, повышающие качество хмеля, — это отличное вы­зревание, хорошие однородные шишки, тонкое строение шишки и стерженька, высокое содержание лупулина, особенно хорошая сушка (с учетом цвета лупулина), ярко выраженный тонкий аро­мат, хорошее вычесывание и цвет лучше, чем у соответствующего типового образца.

Признаки, снижающие качество хмеля, — это недостаточное вызревание или перезревание, неполноценное и неравномерное шишкообразование, грубое строение шишки и стерженька, семян-ность, небольшое содержание лупулина, плохой лупулин и мато­вая окраска в результате неправильной сушки или плохой агро­техники, худший запах, плохое вычесывание, неудовлетворитель­ный цвет и наличие большего количества следов от вредителей по сравнению с соответствующим типовым образцом (большая пятнистость), раскрытые шишки, загрязнение и влажность выше 13%.

Хмель поставляют:

а) натуральный, т. е. не окуренный серой, без обработки и в первоначальной упаковке;

б) обработанный, т. е. окуренный серой и прессованный, иногда отсортированный, вычесанный и высушенный.

Для поставки потребителям для непосредственного примене­ния хмель упаковывают в тюки (70—80 кг), для непродолжи­тельного хранения (до будущего урожая) в балоты (130—150 кг), иногда в мешки из джутовой ткани; для экспортных поста­вок в отдельных случаях хмель упаковывают в бочки и жестя­ные коробки Упаковки должны быть маркированы согласно за­кону об обязательной маркировке хмеля. Кроме того, на упаковках могут быть указаны дополни­тельные данные по желанию потребителя. Отдельные упаковки должны иметь сопроводительный лист.

1.2 Химический состав хмеля

Важнейшей составной частью хмеля является группа веществ, к которым относятся хмелевые смолы, дубильные вещества и эфирное масло, участвующие в технологическом процессе при производстве пива. Кроме них хмель содержит вещества второс­тепенного значения, которые участвуют в процессе в незна­чительной мере или вообще не участвуют. Как натуральный про­дукт хмель всегда содержит воду.

1.3 В ода

Свежесобранный хмель содержит большое количество воды (около 75%) и поэтому не может храниться в первоначальном виде. После искусственной сушки при низких температурах до 45—50°С хмель обычно содержит 10—14% воды.

При содержании воды ниже 10% хмелевые шишки легко рас­крываются и в результате этого происходят потери лупулина вследствие выпадения его. Хмель с содержанием воды выше 15% не пригоден для хранения, он легко подопревает и плесневеет.

1.4 Хмелевые смолы

Хмелевые смолы являются основной и с технологической точ­ки зрения наиболее важной составной частью хмеля. Они раство­ряются в этиловом эфире, которым выделяются при конвенцион­ном анализе хмеля. После выпаривания эфира из остатков при растворении в метаноле получается фракция, содержащая все хмелевые смолы. Они в свою очередь делятся на мягкие смолы, растворимые в н -гексане, и твердые смолы, нерастворимые в н -гексане.

Горькие вещества, присутствующие в пиве, получаются из исходных хмелевых смол. Частично они образуются в результа­те прямого окисления хмелевых смол в конечной фазе вегетаци­онного периода и, главным образом, при сушке и хранении хме­ля; незначительные доли их проходят через весь пивоваренный процесс без изменений и оказываются в готовом пиве. Основные фракции горьких веществ образуются косвенным путем при обработке хмеля в процессе пивоварения, преимущественно при кипячении его; некоторые из образуемых фракций тождественны продуктам прямого окисления.

Возможно, что уже и раньше знали о количестве веществ, образующих группу хмелевых смол, однако до 1950 г. наверняка были известны только две составляющие, первоначально считавшиеся химическими индивидуумами, а именно α-горькая кислота, или гумулон, и β-горькая кислота или лупулон. Позже Виндиш доказал, что α-горькая кислота, при кипячении хмеля изменяется сначала в смолу А, которую Верцель (1965) назвал изогумулон, далее в смолу В и, наконец, в гумулиновую кислоту.

Одним из новых открытий было открытие Регби и Бетунеа, что α-горькая кислота не является химическим индивидуумом, а содержит две другие структурно аналогичные вещества когумулон и адгумулон. Тачел обнаружил также аналоги β-горькой кислоты и назвал их колупулон и адлупулон. Позже Говард идентифицировал преаналоги и постаналоги обеих горьких кислот (прегумулон, постгумулон и прелупулон и постлупулон) и два другие аналога, пока не имеющие названия.

Химизмом неспецифических мягких смол в последнее время занимался Микшиш с целью создания системы классификации этой многочисленной группы веществ. Он обнаружил, что все вещества этого типа, содержащие циклопентантрионовое ядро, по-разному замещаются в положении 4 и 5, и поэтому обозначил их общим групповым названием — резупоны.

Хмелевые смолы (экстрагируемые из хмеля этиловым эфи­ром, растворимые без нагрева в метаноле) классифицируются следующим образом:

Мягкие смолы (растворимые в н -гек­сане)

α-Горькие кислоты (гумулоны)

β-Горькие кислоты (лупулоны)

Неспецифические мягкие смолы (резупоны)

Твердые смолы (нерастворимые в н- гексане)

γ - Смолы (нерастворимые в воде)

ε – Смолы (растворимые в воде)

Мягкие смолы

α-Горькие кислоты (гумулоны). Основной составной частью а-горьких кислот является гумулон. Его формула и формула ос­тальных известных аналогов выводится из общей формулы α-горьких кислот замещением R (радикала) в положении С₂ бен­зольного ядра. Отдельные аналоги отличаются один от другого структурой, а именно боковой ациловой цепью при том атоме уг­лерода, который у гумулона — изовалериановый, у когумулона — изобутириловый и у адгумулона — α-метилмасляный и т. д.

Общая формула d – горьких кислот

R = - CH ₂ • CH ( CH ₃ )₂ Гумулон

- CH ( CH ₃ )₂ Когумулон

- СН• СН₂ • СН₃ Адгумулон

СН₃

_- СН₂ • СН₂ • СН (СН₃ )₂ Прегумулон

- СН₂ • СН₂ • СН₃ не названный аналог

- (СН₂ )₄ СН₃ не названный аналог

β – Горькие кислоты (лупулоны). В ряду β – горьких кислот у большинства сортов хмеля главной составной частью является лупулон. Аналоги выводятся из общей формулы β – горьких кислот точно так же, как аналоги гумулона и имеют такие же боковые цепи.

Общая формула β – горьких кислот

R = - CH ₂ ∙ CH ( CH ₃ )₂ Лупулон

- CH ( CH ₃ )₂ Колупулон

- CH ∙ CH ₂ ∙ CH ₃ Адлупулон

СН₃

- СН₂ ∙ СН₂ ∙ СН(СН₃ )₂ Прелупулон

- СН₂ ∙ СН₃ Постлупулон

- СН₂ ∙ СН₂ ∙ СН₃ не названный аналог

- (СН₂ )₄ ∙ СН₃ не названный аналог

Как химические индивидуумы α- и β-горькие кислоты хорошо изучены, хотя сначала основное внимание было направлено пре­имущественно на α-кислоты, β-кислоты считались не заслужива­ющими внимания. В технологическом процессе хмелевые смолы участвуют не прямо, а как предшественники других образуемых в процессе пивоварения веществ, которые формируют горький вкус пива. По сути дела, речь идет о продуктах окисления и раз­ложения исходных горьких кислот, которые до сих пор являют­ся предметом внимательного изучения.

Неспецифические мягкие смолы (резупоны). Микшик различает α- и β-резупоны в зависимости от того, являются они производными α- или β-горьких кислот. По Микшику, теоретически можно вывести не менее восьми разных групп разных α-резупонов и четыре группы β-резупонов, которые отличаются функциональными группами на основном циклопентантрионовом ядре, как это видно из табл. 1. В свежем хмеле обычно преобладают α-резупоны. Старый хмель и хмелевые экстракты могут содержать большую долю β-резупонов.

Таблица 1

Основные типы резупонов

α-Резупоны. Изогумулоны образуются при кипячении хме­ля в результате изомеризации гумулонов, которые потом перехо­дят в сусло и пиво. Изогумулоны являются производными с ин­тенсивной горечью и создают горький вкус пива, поэтому они очень важны с технологической точки зрения. Несмотря на то что основная часть изогумулонов образуется при кипячении хмеля, их удалось обнаружить в уже хранящемся хмеле.

С технологической точки зрения важно, что горький вкус имеют только продукты окисления или разложения, в ко­торых сохранилось пятиуглеродное кольцо и боковой ацил при атоме С₂ . Другим условием горечи является размещение двой­ной связи в боковой изогексениловой цепи; горький вкус имеют только изогумулоны с двойной связью в положении β- или γ-, например, аллоизогумулонов А и В.

Технологический интерес представляет группа аллоизогуму­лонов А и В отдельных рядов апо-, спиро- и нор-изогумулонов, которые по Верзелю образуются при кипячении хмеля, а также при преизомеризации хмелевых смол щелочами,ультразвуком и т. д.

Наконец в хмеле и пиве была обнаружена группа абсоизогумулонов, обозначенныхI, II, III. Они образуются при окис­лении α-горькой кислоты, изогумулонов и гумулинонов. Эти ве­щества не имеют горького вкуса, однако они хорошо раствори­мы в воде и обладают пенообразовательной способностью.

Смолами В считаются продукты разложения гумулонов, иногда изогумулонов, которые возникают в результате отщепле­ния изобутилальдегида.

Гумулиновые кислоты считаются обычно конечными продук­тами разложения гумулонов в результате изомеризации, пред­полагается, что они образуются также из смолы В. Вкус имеют терпко-горький.

Хмель содер­жит около 2% гумулинонов. Они образуются точно так же, как изогумулоны: путем изомеризации α-горькой кислоты при одно­временном слабом окислении. По сравнению с изогумулонами они менее горьки, однако их горечь более приятная.

Гумулинон — это среднесильная кислота с величиной рК 2,8, довольно горькая. Точка кипячения равна 72°С. Когумулинон имеет точку кипения 111°С, адгумулинон 119°С. Прегумулинон и лостгумулинон не характеризуются даже точкой плавления.

Изогумулиноны образуются при окислении гумулонов наряду с гумулинонами. У изогумулинонов предполагается наличие то­го же ряда аналогов как у α-горьких кислот.

Оксигумулиновые кислоты отличаются от кислот тем, что в структурной формуле имеют при Cs вместо =Н группу =ОН. Более подробно они не изучались.

β-Резупоны. Лупутрионы по структуре и свойст­вам они очень похожи на гулупоны, с которыми находятся в пиве в определенном окислительно-восстановительном равновесии. Одним из продуктов окисления лупутрионов является гулупиновая кислота.

Гулупоны это продукты разложения β-горькой кислоты, обла­дающие характерной и приятной горечью. Они были обнаружены шведским ученым Спетсигом и его сотрудниками как в хмеле, так и в пивном сусле и готовом пиве.

Хмель содержит обычно от 0,1 до 0,2%, самое большее — 0,5% гулупонов. По сравнению с изогумулонами их горечь нахо­дится в пределах от ¹ /₃ до ¹ /₂ .

Гулупон — это среднесильная одноосновная кислота без кар­боксильной группы с величиной рК+2,7, плохо растворимая в воде (30 мг/л), хорошо растворимая в органических растворите­лях. Аналоги не были выделены.

С технологической точки зрения важнейшим свойством хме­левых смол является их горечь. Горькие вещества в пиве прямо или косвенно получаются из первоначальных хмелевых смол. Продукты окисления хмелевых смол появляются уже при созре­вании хмеля и в небольшом количестве образуются при сушке и хранении его. Количественно наибольшим изменениям подвер­гаются хмелевые смолы при кипячении хмеля; часть образующих­ся веществ тождественна продуктам окисления, уже содержа­щимся в хмеле, однако основная часть их образуется заново. Из­менения горьких кислот при кипячении сусла с хмелем очень сложны и их взаимосвязь до сих пор подробно не изучена. По сравнению с α-горькой кислотой β-горькая кислота в сусле плохо растворима и трансформируется в ограниченной степени.

Доказано, что α-горькие кислоты при кипячении хмеля сначала изомеризуются и переходят в раствор в виде соответст­вующих изосоединений. Из гумулона образуется хорошо рас­творимый изогумулон, который частично изменяется в смолу В и далее в гумулиновую кислоту, которая не имеет горького вку­са. Для полного регулирования процесса изомеризации одного только изменения продолжительности кипячения хмеля недоста­точно, так как на степень изомеризации оказывают влияние мно­гие другие факторы.

Потери α-горькой кислоты возникают прежде всего из-за того,, что трансформация ее не останавливается на образовании горь­ких на вкус составных частей, а идет дальше, вплоть до образо­вания негорьких соединений. Наибольшие потери, причина кото­рых до сих пор не выяснена, имеются в начале кипячения хмеля, кроме того 8—10% адсорбируются в хмелевой дробине и в осад­ках. Из основной части α-кислот, оставшихся в сусле, по данным некоторых исследователей, 60% присутствует в виде изосоеди­иений, а по данным других авторов, только 40—50%. Поскольку при брожении и других процессах возникают новые потери, окончательное использование α-горькой кислоты в пиве сводится к 30%, а иногда и меньше.

Разложение β-горькой кислоты идет через гулупоны, потом через лупутрионы к гулупиновой кислоте. Использование β-горькой кислоты для придания горечи пиву незначительно из-за ее пло­хой растворимости. Потери при кипячении хмеля составляют около 20%. В сусле было обнаружено 18% β-кислот, из них око­ло ¹ /₃ превратились в горькие вещества, а ² /₃ неиспользованных β-кислот адсорбировались в хмелевой дробине и горьких осадках. Незначительная часть их, оставшаяся в сусле, осаждается при главном брожении.

Обзор имеющихся сведений об изменениях, происходящих в хмелевых смолах и горьких веществах пива во время технологи­ческого процесса, отражен в схеме 1:

Схема 1

* реакции окисления и разложения при кипячении хмеля;

реакции окисления и разложения при созревании и хранении хмеля.

предполагаемые реакции окисления и разложения, до сих пор неподтвержденные.

Из сказанного выше, вытекает, что обычный пивоваренный технологический процесс, с точки зрения использования горьких кислот, очень неэкономичен. На практике использование хмеле­вых смол можно повысить главным образом за счет переработки предварительно подготовленного хмеля или применения хмеле­вых концентратов, а также ультразвука при кипячении хмеля, а иногда путем возврата или экстракцией хмелевой дробины; наи­более эффективной является замена хмеля хмелевым экстрактом.

Горькие хмелевые вещества (все смолы), определенные как фракция, растворимая в этиловом эфире, при конвенционном ана­лизе хмеля по Вельмеру делятся на три фракции:

1) α-фракция, т. е. а-горькие кислоты (гумулон + гомологи), которая определяется путем осаждения ацетатом свинца в метаноловом растворе;

2) β-фракция, т. е. р-горькие кислоты вместе с мягкими смо­лами, которая определяется как фракция, растворимая в гексане, уменьшенная на α -фракцию;

3) γ-смолы, т. е. твердые смолы, содержание которых опреде­ляется по всем смолам (фракция, растворимая в этиловом эфи­ре) за вычетом фракции, растворимой в гексане.

1.5 Полифенольные (дубильные) вещества

Хмелевые дубильные вещества образуют по сравнению с со­лодовыми дубильными веществами более многочисленную груп­пу. Они лучше растворяются в воде, более реакционноспособны и, следовательно, менее стабильны. Вкусовые различия вытекают из разной степени дисперсности. Хмелевые дубильные вещества благодаря более легкой окисляемости и большей восстановитель­ной способности, а также большей активности в осаждении бел­ков предохраняют хмелевые смолы, главным образом α-горькие. кислоты, от окисления и образования комплексов. Своим дегидратационным воздействием они способствуют осаждению в других случаях неосаждаемых белков. В связи с этим они действуют как стабилизирующий реагент. Значительная часть хмелевых дубильных веществ относится к группе флавоноидов. В хмеле, как правило, присутствуют гликозиды.

1.6 Флавоноловые гликозиды

Типичным представителем этой группы является кверцитрин, т. е. рамнозилкверцетина. Далее сюда относятся кемпферитрин, мирицитрин и другие тригликозиды и полигликозиды.

О

Флавон (2 – фенил – γ – бензипирон), основнойкаркас фливоповых производных

Флавонол (квецертин) — это 3-гидроксифлавон. В качестве сахарного компонента он содержит рамнозилкверцитрина, изокверцитринглюкозил и рутин β-рамнозидо-6-гликозил. Кемферол — это пентагидроксипроизводное, у которого заместителем в положении 3 является = Н. Кемпферитрин содержит в качестве сахарного компонента рамнозидорамнозил; мирицитрин — это гексагидроксипроизводное, у которого заместителем в положении 5 является = ОН и в качестве сахарного компонента он содержит рамнозил. Изокверцитрин и рутин были обнаружены также в японском хмеле.

Общее содержание флавонолов, выраженных как рутин, колеблется в хмеле разного происхождения в пределах от 0,14 до 0,85% в пересчете на сухое вещество.

1.7 Вещества типа хлорогеновой кислоты

Хлорогеновая кислота и ее производные являются переходны­ми веществами сапонина. Из общего содержания дубильных ве­ществ на хлорогеновую кислоту в хмеле приходится значительная.

Хлорогеновая кислота (дипептид кофейной и хинной кислоты)

К этой группе из производных n-гидроксибензойной кислоты- относятся кислоты протокатеховая, галловая, ванилиновая и сиринговая, из производных кофейной кислоты — кислоты кумаровая и феруловая. Некоторые из них в небольшом количестве содержатся в хмеле в мономерной форме, другие — образуются в результате кислого, щелочного или ферментативного гидролиза полимерных дубильных веществ.

При окислении сначала образуются о -хиноны, далее олигомеры и полимеры.

Фермент тиросиназа( о -дифенол : О₂ оксидоредуктаза ) катализирует образование о -хинонов из хлорогеновой и кофейной кислот, которые могут деаминировать аминокислоты при отщеплении аммиака. Ферментативные реакции этого типа могут быть причиной известных в практике пивоварения случаев лобурения сусла и пива. Эти реакции ингибируют серные соединения хмеля (окуривание хмеля серой), а в пиве — цистеин.

1.8 Антоцианогены

Хмелевыми полифенолами этого типа являются антоцианидины, их лейкоформы и главным образом производные 5,7-дигидроксифлавоновые.

В радикалах от R₁ до R₅ – это главным образом = Н, = ОН, изредка = ОСН₃ .

К ним относится цианидин и делфинидин и их лейкоформы. Антоцианидины, т. е. агликоныантоцианинов, образуются от .флавилиумхлорида:

С Г

Антоцианины содержатся главным образом в лозах красного и полукрасного хмеля; в прилистниках и кроющих листках ши­шек, как правило, содержатся лейкоантоцианины.

Структура лейкоантоцианидинов, которые являются вероят­ными предшественниками антоцианинов или антоцианидинов, не объяснена подробно. Кармино-коричневоокрашенные вещества, образующиеся при нагреве с минеральными кислотами, носят об­щее название антоцианогены, или проантоцианидины.

В химии пивоварения вещества, дающие антоцианогены, — цианидин и делфинидин иногда называют цианиген и делфиниген. Растворимые антоцианогены представляют, фракцию, которая остается в растворе после осаждения 20%- ным сульфатом аммония.

вероятная структура антоцианогена (лейкоантоциана)

Значение символов:

Х= — Н или сахарный компонент;

К= —Нилигидроксифлавонол (у бифлавоноидногоантоциа­ногена) ;

R и R ₂ = - Hi —ОН, —ОСНз (например, у цианидина и делфинидина).

У большего числа сортов хмеля цианидины, или цианигеньь во много раз преобладают над делфинидином или делфинигеном. У дикорастущего хмеля от­носительное замещение лейкоцианидиналейкоделфинидином такое же, как у культурного. Наконец, в последнее время, было установлено, что хмель содержит также D (+) -катехин, эпикатехин и их полимеры. По новейшим данным, катехин является вторым компонентом основного бифлавоноидногоанто­цианогена хмеля.

Если в положении 5' вместо —Н имеется группа —ОН, речь идет о галлокатехине. Катехины образуют ряды изомеров; из­вестно два изомера транс- и два цис- (эпикатехин). При этерификации гидроксильной группы катехина и галлокатехина в по­ложении С₃ (3') галловой кислотой образуется соответственно 3-галлоилкатехин и 3-галлоилгаллокатехин.

Характерным свойством катехинов является их способность конденсироваться под действием солнечного излучения и кисло­рода воздуха в большие молекулы с ярко выраженным таинидным характером.

1.9 Кумарины

Кумарины в хмеле встречаются в виде агликонов. Известные гликозиды с кумариновым ядром получаются из кумарина за­мещением гидроксильными группами —ОН в положении 6, 7 или 8, из которых одна осуществляет гликозидную связь. Чаще всего речь идет о β-D-глюкозидах

кумарин

1.10 Кислые фенолы

Эта группа является смесью большого числа кислореагирующих веществ фенольного типа, присутствующих в свободной фор­ме.

1.11 Хмелевое эфирное масло

Хмелевое эфирное масло придает хмелю характерный аромат, который переходит в пиво в незначительном количестве. И хотя хмелевое эфирное масло с этой точки зрения имеет второстепенное технологическое значение, оно играет большую роль при торговой оценке хмеля. Это объясняется тем, что тонкий характерный аромат хмеля является признаком высокого качества его и в определенной степени характеризует происхождение хмеля. Новые данные подтверждают тесную связь между хмелевым эфирным маслом и горькими веществами. Хмелевое эфирное масло — это сложная смесь углеводородов и кислородсодержащих соединений, преимущественно терпенового ряда. С помощью газовой хроматографии и других современных методов постепенно удалось идентифицировать большое число компонентов хмелевого эфирного масла.

Углеводородная (терпеновая) фракция составляет от 40 до 80% хмелевого эфирного масла. Как правило, половина этой фракции — монотерпены (С₁₀ ), остаток — это главным образом сесквитерпены (C₁₅ ) наряду с небольшим количеством веществ с С₃₀ . Основной монотерпен — это мирцен, основные сесквитерпены — это кариофиллены, гумулен и фарнезен.

Эти четыре основные компонента могут составлять около 90% хмелевого эфирного масла и являются обычно главной частью европейских сортов хмеля. И, наоборот, у американского хмеля и австралийского сорта Golden Cluster гумулены и кариофиллены встречаются в относительно небольшом количестве и преобладают селиноны, которых может быть до 38%, в то время как гумуленов бывает только 2,7% от общего содержания хмелевого эфирного масла. Кадинены содержатся, как правило, во всех сортах. Содержание фарнезена в значительной мере зависит от сорта. В европейских сортах Tettnang, Spalt и Styrian его бывает около 10% от общего содержания эфирного масла, а у американских сортов обычно меньше 1% .

Образование и качественный состав хмелевого эфирного масла так же, как и горьких веществ, является генетическим свойством отдельных сортов хмеля. Из общего количества хмелевого эфирного масла, равного 0,5—2,0%, в готовое пиво переходит ¹ /₄ его и влияет на органолептические свойства пива.

Мирцен придает пиву резкий запах и жесткий вкус, в то время как гумулен и кариофиллены придают пиву бла­городный аромат. По современным данным, пиво с благородным ароматом можно получать из хмеля с низким содержанием мирцена и высокой долей сесквитерпенов гумулена, постгумулена и кариофилленов. Компоненты кислородсодержащей фракции хмелевого эфирного масла оказывают существенное влияние на запах пива уже в небольших количествах. Соотношение главных сесквитерпенов — гумулена, кариофилленов и фарнезена — за­висит у одного и того же сорта хмеля от района его произраста­ния.

Кислородсодержащие фракции имеют относительно большое число соединений, однако содержание их сравнительно мало. В них входят спирты (алифатические, терпеновые и некоторые другие), альдегиды и сложные эфиры спиртов алифатического и. терпенового рядов.

На кислородсодержащие фракции приходится, как правило, 15—40% всего эфирного масла. Численность отдельных компо­нентов велика и зависит не только от сорта, но в значительной мере также от сушки и хранения хмеля, поскольку они образуют­ся под действием кислорода воздуха при повышенных темпера­турах.

Содержание свободных алифатических спиртов не превышает в хмеле, как правило, 1% общего содержания эфирного масла. Янсен обнаружил н- бутанол, изобутанол, н -амилалкоголь, гексанол, гептанол, октанол, нонанол, деканол, ундеканол, додеканол, нерол, линалоол, гераниол, терпинеол и неролидол.

Из кетонов в хмелевом эфирном масле был обнаружен снача­ла метилнонилкетон. Шорм первым обнаружил 2-ундеканол. Этот и другие насыщенные кетоны чаще встречаются в евро­пейских сортах хмеля, чем американских. Янсен обнаружил также среди карбонильных соединений кислородсодержащей фракции кетоны с разветвленной цепью.

Присутствие альдегидов в хмелевом эфирном масле только недавно доказал тот же Янсен, который идентифицировал гексанал, гептанал, октанал, 2-гексанал, 2-гептанал, 2-октанал, нонанал, 2-нонанал, деканал, ундеканал, додеканал, тетрадека-нал и цитрал. Их содержание очень низкое.

С помощью газовой хроматографии Янсен обнаружил в хмелевом эфирном масле девять кислот от С₆ до С₁₀ с прямой цепью и от С₄ до С₁₀ с разветвленной. Его предположение, что они присутствуют в виде сложных метиловых эфиров, подтвер­дил позднее Роберте. Янсен обнаружил в хмелевом эфирном масле около 60 сложных метиловых эфиров с прямыми и разветвленными цепями и насыщенными и ненасыщенными связями.

Из остальных сложных эфиров ацетаты, пропионаты, капронаты и гептаноаты являются главными компонентами эфирного масла американских сортов хмеля, на которые приходится около 2%, в то время как в европейских сортах они почти не представ­лены.

Очень сложно объяснить влияние хмелевого эфирного масла на вкус и запах пива. Говард и другие изучали насыщенность вкуса и запаха растворимых в воде компонентов хмелево­го эфирного масла. Из полученных сведений вытекает аддитивность интенсивности запаха. При определении аддитивных запахов исходят из олфактометрических порогов и концентраций отдельных компонентов.

На общее содержание эфирного масла в хмеле, по Шиллфарту, больше всего влияет климат, созревание и операции после вычесывания. Средним содержанием эфирного масла в хмеле этот автор считает 0,6%, предельные величины — от 0,2 до 1,7.

Летучие компоненты хмелевого эфирного масла при кипячении хмеля улетучиваются (удаляются с парами воды) до незначительного остатка, который считается составляющей запаха пива.

При хранении хмель в результате естественного старения утрачивает первоначальный запах. Эфирное масло постепенно полимеризуется, осмоляется или расщепляется с образованием кислот. Запах сыра, который имеет старый хмель, обусловлен образованием изовалериановой и жирной кислот.

1.12 Второстепенные вещества

Основной, однако с технологической точки зрения несущественной частью хмелевых шишек является клетчатка (целлюлоза). Клетчатка — это наиболее существенная составляющая часть всех вспомогательных растительных тканей. Из других высокомолекулярных полисахаридов хмель содержит от 12 до 14% пектина, незначительная часть которого переходит в пиво, где он играет роль защитного коллоида. Из растворимых сахаридов хроматографическим путем были обнаружены в сухом веществе хмеля 0,5% фруктозы, 0,4% глюкозы, 0,5% сахарозы, далее рафинозу и еще один неидентифицированный трисахарид. По старым данным, хмель содержит около 3,5% глюкозы и фруктозы.

Хмель содержит далее 2—4% азотистых веществ, из них ¹ /₃ — ¹ /₂ растворима в горячей воде. Эти низкомолекулярные фракции (альбунозы, пептоны, полипептиды, пептиды и аминокислоты) ассимилируются дрожжами.

Следующей составной частью хмеля является воск, называемый мирицином (0,25—0,70%), который придает шишкам блеск.

Кроме того, в хмеле был обнаружен еще целый ряд веществ, присутствующих большей частью только в незначительных количествах. Из компонентов, родственных мирицину, называют, например, цетилалкоголь, фитостерол, далее жирные кислоты, такие, как пальмитиновая, стеариновая, изовалериановая и масляная, наконец, яблочная, лимонная и щавелевая кислоты, а из неорганических — кремниевая, фосфорная и серная.

Среди других веществ был обнаружен эстрогенный гор­мон (от 2 до 30 мг на 100 г хмеля) и некоторые витамины, а имен­но тиамин, никотиновую кислоту, пантотеновую кислоту, биотин и пиридоксин.

Содержание минеральных веществ в хмеле колеблется от 5 до 10%. Из посторонних веществ в хмеле встречаются следы меди и окислы мышьяка (из препаратов опрыскивания). Окурен­ный хмель содержит окислы серы, присутствие которых достига­ет 0,4%.

1.13 Оценка качества хмеля

Несмотря на то что хмель является самым дорогим в пивова­рении сырьем, оценка его до недавних пор проводилась только органолептически. В последние десятилетия придают все боль­шее значение оценке по химическому составу хмеля. При органолептической оценке хмель определяют в основном по качествен­ным признакам, т. е. отнесением его к отдельным товарным сор­там. Важнейшими показателями при этом считают аромат, ко­личество и цвет лупулина. С этих точек зрения различают хмель, тонкий, средний и грубый. Тонкий хмель отличается высоким содержанием лупулина, чистым хмелевым ароматом без каких-либо посторон­них запахов, правильным строением шишки, тонким, равномерно и часто изогнутым стерженьком, правильным расположением прилистников и кроющих листков. Он почти не содержит или сов­сем не содержит семян и имеет хорошо закрытые шишки. К тон­ким сортам хмеля относится большая часть чехословацких сор­тов хмеля.

Средний хмель обладает характерным хмелевым ароматом, однако более острым, иногда со слабым посторонним запахом (фруктовым). Этот хмель имеет шишки правильного строения с довольно большим содержанием семян.

Грубый хмель — это хмель оплодотворенный, семенной. У не­го грубый, реже неправильно изогнутый стержень. Аромат у него резкий, часто не хмелевой, обычно с чесночным или другим посторонним запахом, который может преобладать над хмелевым запахом.

При оценке с химической точки зрения учитывается общее содержание хмелевых смол, которое характеризует продуктивность хмеля, и состав смол, характерный для хмеля разного происхож­дения и определяющий качество хмеля.

Содержание всех смол колеблется в довольно широком диапа­зоне в зависимости от происхождения хмеля и года урожая, а также от степени зрелости к моменту уборки.

Состав смол изменяется при естественном старении хмеля, по­этому приведенные данные характерны только для свежесобран­ного и для правильно хранящегося хмеля. У такого хмеля не ме­нее 35% всех смол приходится на α-горькие кислоты (α-фракция), которые с технологической точки зрения являются наибо­лее важной частью хмеля. Содержание твердых смол, не имеющих особого технологического значения, не должно превы­шать у свежесобранного хмеля 12%. Их содержание является показателем возраста, или хранения хмеля.

Продуктивность хмеля определяют на основании результатов проведенных работ Вельмера (1932), который экспериментально определил, что гумулоны (α-фракция) придают горечь пиву в 9 раз большую, чем лупулоны (β-фракция), а твердые смолы не оказывают влияния на горечь пива. Вельмер вывел для расчета горечи следующую формулу:

Согласно этой формуле горечь хмеля высчитывается так, что процентное содержание α-фракции увеличивается на 0,1 (¹ /₉ ) про­центного содержания β-фракции. Эта формула действительна только для свежесобранного хмеля, но и в этом случае сущест­вуют некоторые оговорки. При старении хмеля горькие кислоты постепенно окисляются в мягкие смолы. По данным Вельмера, мягкие смолы имеют более низкую горечь, чем исходная α-кислота, из которой они получаются в результате окисления. И, наобо­рот, мягкая β-смола имеет горечь выше, чем исходная β-кислота. С продолжающимся окислением исходная горечь β-фракции по­вышается, так как, с одной стороны, происходит образование β-смолы и, с другой, увеличивается содержание α-смолы, которая по Вельмеру переходит в β - фракцию. Аналитически было доказано, что в пиве, охмеленном старым хмелем, содержится горьких веществ в 2 раза больше, чем в пиве, охме­ленном свежесобранным хмелем. Гулупоны, образующиеся при окислении β-горьких кис­лот, также повышают горечь пива. Эти вещества, однако, пред­ставляют незначительную долю (около 5%) в комплексе β-мягких смол.

Результатом изучения антисептических свойств хмеля явля­ются данные, что гумулон (α-фракция) в 3 раза больше облада­ет антисептическим свойством, чем лупулон (β -фракция). Анти­септическая сила хмеля была выражена формулой

Однако рассчитанные величины не находят практического применения, поскольку антисептические свойства хмеля в каж­дом отдельном случае зависят от вида микробов, субстрата, рН и т. д.

Горькие хмелевые вещества действуют ток­сически на грампозитивные бактерии. Оптимальная эффектив­ность отмечается при рН от 4,3 до 4,4. Было установлено, что β-кислота как антисептик гораздо эффективнее α-кислоты, одна­ко ее эффективность быстро падает. Действие α-кислоты намного слабее, но стабильнее.

1.14 Хранение хмеля

Сохраняемый хмель постепенно приходит в негодность от старения, т. е. окислительного процесса, при котором также ак­тивизируется и действие микроорганизмов. Необходимо исклю­чить влияния, ускоряющие процесс старения.

При хранении хмеля положительными факторами являются следующие:

а) низкая температура (около 0°С), которая тормозит хими­ческие процессы и одновременно ограничивает развитие микро­организмов;

б) ограниченный доступ воздуха к хмелю, который укладыва­ют сильно спрессованным, или в случаях длительного хранения в герметически закрытых жестяных цилиндрах;

в) защита от увлажнения, которая обеспечивается тем, что сухой хмель хранится в сухом помещении;

г) особые меры, ограничивающие действие микроорганизмов, главным образом путем умеренного окуривания серой.

В хмелехранилище тюки и балоты с хмелем укладывают так, чтобы не поддерживалась аккумуляция тепла, т. е. рядами на деревянных решетчатых помостах или брусьях. В жестяных гер­метически закрытых цилиндрах хмель может храниться и вне хмелехранилища, например, в охлаждаемых подвальных поме­щениях. Высыпанный из тюков хмель не подлежит длительному хранению. До момента использования он должен храниться в первоначальной упаковке.

От воздействия вредных факторов хмель лучше всего сохра­няется в охлаждаемом хмелехранилище. Применяется как пря­мое охлаждение с помощью холодильной системы, так и косвен­ное. В обоих случаях помещение должно быть сухим и хорошо изолированным.

Холодильная система прямого охлаждения при расположении под потолком должна быть снабжена желобом для отвода воды, образующейся на трубках системы в случае остановки холодиль­ного компрессора. Благодаря тому что воздух, охлаждающийся в результате соприкосновения с холодильной системой, опуска­ется к полу, происходит естественная циркуляция; одновременно воздух высушивается, поскольку его влага осаждается как на­ледь на трубках холодильной системы.

При косвенном охлаждении воздух охлаждается холодиль­ной системой, размещенной вне хмелехранилища; циркуляцию обеспечивает вентилятор, который нагнетает охлажденный воз­дух под решетчатый помост хмелехранилища и отсасывает нагре­тый через каналы, расположенные на потолке.

В последнее время рекомендуется способ консервации хмеля. Этот способ заключается в том, что хмель после прессования помещают в соответствующий резервуар, в котором создается абсолютный вакуум и потом туда вводят инертный газ, как правило, углекислый. В хмеле, пропитанном инертным газом, горькие вещества предохраняются от окисления, если при откачке воздуха полностью был устранен кислород.

В хороших условиях, главным образом при температуре около 0°С, хмель хранится без существенных изменений качества 2 года и больше. Постоянное охлаждение хмелехранилища повышает расход электроэнергии. Однако в неохлаждаемых хмелехранилищах хмель за год теряет около 20% первоначального качества.

1.15 Порошкообразный хмель

Хмелевой порошок, или обогащенный хмелевой порошок, являются согласно номенклатуре ЕБК продуктами, полученными при измельчении хмеля, как без механической концентрации, так и с механической. Основным признаком этих продуктов является хорошее-сохранение первоначальных свойств хмелевых шишек. Это в сущности по-разному тонко измельченный хмель, химический состав которого и технологическую продуктивность определяет способ механической обработки. Порошкообразные хмелевые препараты позволяют лучше использовать хмелевые смолы, состав которых почти не изменяется и при продолжительном хранении. Хмелевые препараты характеризуются рядом операционных, технологических и экономических преимуществ.

В продаже имеются препараты, получаемые при измельчения хмелевых шишек, а именно:

а) хмелевой порошок с содержанием α-горькой кислоты да 15% (например, Hopstabil, Favotit);

б) обогащенный хмелевой порошок, содержащий α-горькой кислоты свыше 15% (например, Hopfix, Hoparom).

При производстве Hopstabila хмель измельчается в тонкую крошку после предварительного снижения содержания воды до 4% путем высушивания при особых условиях. Крошка в инертной среде упаковывается в алюминиевую пленку, чтобы обеспечить продолжительную стойкость продукта. Favotit — это хмелевой порошок, измельченный особым способом и сильно спрессованный в алюминиевой пленке при упаковке в вакууме. При более грубом измельчении этот препарат содержит прилистники шишек или их частицы такого размера, что даже можно идентифицировать цвет и блеск. Препараты этого типа имеют многолетнюю стойкость, при использовании их получается экономия хмеля (для Hopstabila приводится 15—20%, для Favotita — 13—14%), ароматические компоненты сохраняются в них и при хранении, и пиво имеет более низкое содержание полифенольных веществ.

Из 100 кг хмеля получается около 91 кг Hopstabila. Действительная потеря при измельчении около 0,8 кг на 100 кг сухого вещества хмеля, остальное приходится главным образом, на потерю воды.

Обогащенный хмелевой порошок получается путем механической концентрации при измельчении хмеля таким образом, что устраняются балластные компоненты, т. е. стерженьки и прилистники. Измельчение в тонкий порошок при производстве Норfixa облегчается замораживанием до - 30°С. Эти хмелевые пре­параты упаковывают в жестяные банки по 5 и 10 кг тоже в инертной атмосфере.

Преимуществом обогащенных хмелевых порошков является повышенная концентрация горьких и ароматических веществ и пониженное содержание полифенольных веществ. Выгодно так­же уменьшение объема обогащенных хмелевых порошков на ¹ / ₃ по сравнению с обычным хмелевым порошком. Экономия при охмелении достигает 25—30% .

Из 100 кг хмеля получается 40—43 кг обогащенного хмелево­го порошка. Продуктивность концентрата соответствует приб­лизительно соотношению 1 : 2,1; в промышленности учитывают продуктивность при соотношении от 1 : 3,2 до 1 : 4,0 .

Лучшие результаты дает комбинация: порошкообразного хмеля с хмелевым экстрактом.

1.16 Хмелевые экстракты

В виде хмелевого экстракта можно получить высококачест­венные и эффективные продукты даже из хмеля низкого качест­ва, из хмеля, исключенного из маркировки, и из отходов чесаль­ных машин.

Хмелевые экстракты можно получить путем экстракции в од­ну или две стадии.

При одноступенчатой экстракции из хмеля соответствующим органическим растворителем (этилэфиром, дихлорметаном и т. д.) выщелачиваются только хмелевые смолы. Остальные ак­тивные компоненты, главным образом дубильные вещества, ос­таются неиспользованными. Полученный экстракт имеет очень большую продуктивность, однако им можно заменить самое большее 20% от общего количества хмеля, применяемое для варки.

При двухступенчатой экстракции, как и при одноступенча­той, получается сначала смолистая фракция. Хмель, освобож­денный от смол, во второй фазе выщелачивается горячей водой, чтобы получить остальные вещества, главным образом дубиль­ные. Водный экстракт загущают в вакуумном испарителе до тре­буемой консистенции, обеспечивающей гомогенизацию загущен­ного водного экстракта со смолистой фракцией. Полученный таким образом экстракт содержит почти все технологически эф­фективные части хмеля.

У хмелевых экстрактов, полученных двухступенчатой экстрак­цией, можно легко изменять отношение дубильных веществ к смолам, содержание которых обычно снижается в пользу смол. На Западе имеются также хмелевые изомеризованные экстракты. В них α-кислоты хотя бы частично изомеризованы в изогумуло­ны, β-горькие кислоты окислены, дубильные (полифенольные) вещества находятся в первоначальной форме и в соотношениях, которые необходимы для технологии. Эти экстракты в большин­стве случаев хорошо растворимы в сусле, молодом и готовом пиве, к которому могут добавляться в небольших дозах для окончательного формирования вкуса.

Технологический процесс по производству хмелевого экстракта путем двухступенчатой экстракции, показал, что лучше используются те горькие хмелевые вещества, которые при кипячении хмеля немедленно гидролизуются. Это вызвано тем, что уже при- производстве экстракта они частично трансформировались и после добавки в котел мгновенно приходят в непосредственное соприкосновение с суслом.

Установлено, что с увеличением содержания дубильных веществ (второго экстракта) возрастает цвет сусла и пива. Растет содержание дубильных веществ (у сусла больше, чем у пива) и антоцианогенов и повышается количество холодного (тонкого) осадка в сусле. При использовании хмелевого экстракта, содер­жащего ¹ /₃ количества дубильных веществ по сравнению со стан­дартным экстрактом, увеличение антоцианогенов уравнивается с их выделением. При брожении содержание антоцианогенов уменьшается с увеличением доли дубильных веществ в хмелевом экстракте.

Содержание азота при варке сусла снижается тем меньше, чем больше водного экстракта содержит хмелевой экстракт; азот, содержащийся в хмелевом экстракте, до определенной меры уравнивает количество осажденного азота. Потеря азота при брожении, наоборот, повышается с увеличением доли водного экстракта в хмелевом экстракте. Осажденного азота при варке сусла выделяется тем больше, чем больше водного экстракта содержится в хмелевом экстракте.

С возрастающим содержанием дубильных веществ в сусле растворяется меньше горьких хмелевых веществ, однако одно­временно снижается их потеря при брожении, явно улучшается стабильность пива на холоде, но ухудшается пенистость. Вкус сильно охмеленного пива из-за снижающегося содержания горь­ких веществ тем горче, чем больше антоцианогенов присутствует в пиве.

Экстракты по сравнению с хмелем имеют то преимущество, что они почти неограниченно стойки при хранении. Необходимая площадь для их хранения составляет ¹ /₂₅ помещения для хране­ния хмеля. То же самое касается транспортных средств.

Наконец, при обработке хмелевого экстракта экономится хмель. Было установлено, что экстракт, полученный из 100 кг хмеля, заменяет около 150 кг хмеля.

При производстве хмелевого экстракта из исходного хмеля извлекается приблизительно 97% всех смол и около 70% дубиль­ных веществ.

Качество хмелевых экстрактов определяет соотношение при­сутствующих мягких смол к твердым смолам. Это повышение содержания твердых смол происходит при экстракции, которая протекает при .высоких температурах довольно долго.

2. Принцип работы сусловарочного аппарата

Сусловарочный аппарат представляет собой сварной цилиндрический резервуар (8) с двойным сферическим днищем (13) и сферической крышкой (5). Пространство между сферами днищ является паровой рубашкой, в которую подается греющий пар. Паровая рубашка имеет соответствующие фланцы и устройства для подвода пара, отвода воздуха и конденсата.

В нижней части сферического днища аппарата смонтировано разгрузочное устройство (12) для выпуска сусла из котла. Управление разгрузочным устройством осуществляется с помощью зубчатой конической передачи (15) поворотом любого из двух маховичков. Маховичок (16) закреплен на поворотной оси устройства, а маховичок (18) – на стойке, находящейся на площадке для обслуживания. Над сферическим днищем внутри аппарата размещена лопастная мешалка (14) для размешивания сусла в целях лучшей его циркуляции в процессе кипячения.

Для контроля за температурой в аппарате устанавливается термометр с датчиком (17), укрепленный в корпусе аппарата.

В вытяжной трубе (3) имеется кольцевой конденсатосборник (2) для сбора образующегося конденсата, удаляемого по трубе (19), которая выведена наружу и при монтаже аппарата присоединяется к канализационной сети.

Вытяжная труба при кипячении сусла герметически закрывается заслонкой (1). Смотровой люк котла (20) так же закрывается крышкой.

На крышке аппарата так же находиться штуцер для подачи сусла (4).

Управление вентилями подачи пара в рубашку и отвода воздуха производится маховичком (7), который вынесен на вертикальную стойку, установленную на площадке для обслуживания. На стойке находиться манометр (6) для контроля за давлением пара.

Привод мешалки осуществляется от электродвигателя (10) через червячный редуктор (11), которые смонтированы на фундаменте (9).

После набора сусла и подачи хмеля аппарат герметизируют и в паровую рубашку подают греющий пар. Когда сусло начинает закипать и давление в аппарате повышается до 0,03 МПа, перекрывают паровой вентиль, оставляя в нем небольшую щель для поддержания в сусле постоянной температуры кипения – примерно 105°С. При этой температуре сусло выдерживают примерно около 1 ч, после чего прекращают подачу пара и постепенно открывают заслонку вытяжной трубы аппарата. Давление в аппарате начинает падать, а пивное сусло интенсивно кипеть.

Кипячение сусла под давлением наряду с сокращением продолжительности варки и экономией расхода пара способствует более полному выпадению белков, что, в свою очередь, улучшает осветление готового сусла и ускоряет фильтрацию, при этом полнее используются экстрактивные и ароматические вещества хмеля.

3.Расчет сусловарочного аппарата

Рассчитаем площадь поверхности теплопередачи сусловарочного аппарата с полезной вместимостью V=6,5 м³ , если начальное количество сусла G_s =6000 кг.

Общее количество выпариваемой воды

W=G_s (1-), (3.1)

W=6000(1-)=1142,8 кг

где G_s - начальное количество сусла G_s = 6000

концентрация сухих веществ B_H =8,5% повышается до B_K =10,5%

Тогда за 1 ч будет выпариваться

W₁ =W(), (3.2)

W₁ =1142,8()=761,8 кг

где τ - работа аппарата τ=1,5ч

Содержание влаги в начальном сусле

W_H =100- B_H , (3.3)

W_H =100-8,5=91,5%

Удельная теплоемкость сусла

c_s =c₀ +c_B , (3.4)

c_s =1,42+4,19=3,95 кДж/(кг∙К)

где c₀ - удельная теплоемкость сухих веществ сусла c₀ =1,42 кДж/(кг∙К) и воды c_B =4,19кДж/(кг∙К)

Часовой расход греющего пара с учетом КПД аппарата

D=, (3.5)

D==1019,4 кг/ч

где t_H - начальная температура сусла t_H =78, конечная t_K =100°С

I_п - удельная энтальпия греющего пара I_п =2731,5 кДж/кг

I_BT - удельная энтальпия вторичного пара I_BT =2674,5 кДж/кг

I_K - удельная энтальпия конденсата I_K =419 кДж/кг

η=0,95КПД аппарата

Тепловая нагрузка на поверхность теплопередачи

Q=, (3.6)

Q==654822,9 Bт

Температура греющего пара и кипящего сусла в течение всего времени кипячения остается неизменной:

Δt=t_П -t_K , (3.7)

Δt = 138,2-100=38,2°С

где t_П – температура греющего пара t_П =138,2°С

Температура стенки определяется по известному уравнению:

t_CT =, (3.8)

t_CT ==126°С

где k – коэффициент теплопередачи k=1860 Вт/(м² ∙К)

α - коэффициент теплоотдачи α=5800 Вт/(м² ∙К)

Коэффициент теплопередачи от греющего пара находят с учетом значений корней, входящих в формулу:

α₁ =c_п (3.9)

α₁ ==21220 Вт/(м² ∙К)

где с_п – коэффициент пропорциональности с_п =0,533

λ – коэффициент теплопроводности конденсата, Вт/(м∙К)

g – ускорение силы тяжести g=9,8 м/с²

r – скрытая теплота парообразования, Дж/кг

μ – динамический коэффициент вязкости конденсата, Па∙с

Н – высота стенки Н=1,5 м

Величины принимают по средней температуре пленки конденсата, а – по температуре насыщенного пара

Таблица 2

Значения корней, входящих в формулу для определения коэффициента теплоотдачи

Для наклонной стенки аппарата коэффициент теплоотдачи вычисляют с учетом угла наклона φ=45°

α_1накл =α₁ , (3.10)

α_1накл =21220=19459 Вт/(м² ∙К)

Коэффициент теплоотдачи от поверхности паровой рубашки к кипящему суслу

α₂ =3,25q^0,75 , (3.11)

α₂ =3,25∙63805^0,75 =13047 Вт/(м² ∙К)

где q – удельная тепловая нагрузка q=63805 Вт/м²

Коэффициент теплоотдачи от греющего пара к стенке с учетом потерь теплоты за счет образующегося на внутренней поверхности аппарата осадка

К=η₀ [], (3.12)

К=0,8[]=0,8 Вт/(м² ∙К)

где n₀ коэффициент учитывающий образующийся при кипячении сусла осадок на внутренней поверхности аппарата n₀ =0,8

δ – толщина листовой стали δ=0,012 м

λ_ст – коэффициент теплопроводности для стали λ_ст =46,5 Вт/(м∙К)

Площадь поверхности теплопередачи аппарата

F= , (3.13)

F= =8,2 м²

Площадь поверхности теплопередачи на 1 м³ полезной вместимости аппарата со стальным днищем

F₁ = , (3.14)

F₁ = =1,2 м² / м³

Заключение

В данном курсовом проекте мною был проведен расчет поверхности сусловарочного аппарата, для варки сусла с хмелем, освещена технологическая сущность процесса.

Во введении рассказывается о истории появления хмеля, использования его как одного из основных компонентов производства пива и общих характеристик.

В химической части данного проекта рассмотрен химический состав хмеля, непосредственно влияющего на аромат, прозрачность и стойкость пива. Указаны сорта и виды хмеля. Описаны методы оценки качества и хранения.

В описание сусловарочного аппарата входят: общие сведения, выполняемые функции и описание работы.

В курсовом проекте произведен расчет данного аппарата.

В приложение входят чертеж сусловарочного котла и спецификация к нему.

Список литературы

1. Холодовой И.В. Под редакцией А.П. Колпакчи. Пивоварение. М.: Пищевая промышленность, 1977. 622 с.

2.Макарова Н.В., Зимичев А.В. Расчеты технологического оборудования для производства пива. Самара 2003. 56 с.

3. Калунянц К.А. Химия солода и пива. М.: Агропромиздат, 1990. 175 с.

4. Попов В.И. Примеры расчетов по курсу технологического оборудования предприятий бродильной промышленности. М.: Пищевая промышленность, 1969. 147 с.

5. Антипов С.Т., Кретов А.Н. Машины и аппараты пищевых производств. М.: Высш. шк., 2001. 680 с.