ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ЗЕРНОВОГО СЫРЬЯ НА ОБРАЗОВАНИЕ ЦВЕТА ПИВА
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Цель исследования – выявление факторов и особенностей формирования цвета пива в зависимости от типа зернового сырья. Задачи: исследовать состав органических соединений и динамику их изменения в образцах на основе различного зернового сырья в течение брожения не только физико-химическими, но и математическими методами, позволяющими выявить неочевидные зависимости между органическими соединениями; составить уравнения зависимости образования цвета от соединений, оказывающих наибольшее влияние на образование цвета. Объекты исследования – сусло и пиво, полученные из солода с 5 % заменой на несоложеные культуры (ячмень, кукурузу, рис, пшеницу). Показано изменение содержание соединений в зависимости от применяемого злака: содержание β-глюкана увеличивается (в солодово-пшеничном сусле в 1,8 раз, в солодово-рисовом – в 1,6 раз, в солодово-кукурузном – в 1,5 раз и солодово-ячменном – в 1,3 раза по сравнению с солодовым суслом); растворимого азота аналогично; катехинов увеличивается при использовании 5 % ячменя – в 1,8 раза, риса или пшеницы – в 1,2–1,22 раза по сравнению с солодовым суслом. Показатель цвета сусла из солода и кукурузы превышал тот же показатель солодового сусла в 2 раза, а показатели других образцов – в 1,08–1,33 раза превышали показатели цвета солодового сусла. Наблюдалось увеличение содержания рибофлавина при использовании несоложеных злаков. Авторы связывали изменения цвета в процессе брожения с изменением содержания β-глюкана, растворимого азота, катехинов, меланоидинов и рибофлавина, что подтверждается коэффициентами корреляции при математическом анализе данных. Приведены корреляционные характеристики зависимости цвета пива от типа сырья, свидетельствующие о влиянии протеома зерна на показатели пива.

Ключевые слова:
пиво, цвет пива, растворимый азот, некрахмальный полисахарид, катехины, рибофлавин, несоложеные зернопродукты, корреляционный анализ
Текст
Текст (PDF): Читать Скачать

Введение. Потребительскими характеристиками пивоваренной продукции являются органолептические и физико-химические показатели. Цвет как показатель качества относится с одной стороны к характеристикам, приборно определяемым, а с другой – является видовой оценкой качества, относящей его к тому или иному типу пива.

Цвет пивоваренной продукции определяется органическими соединениями и наличием/отсутствием модификации зернового сырья, применяемого в пивоварении [1]. Исследователи полагают [2], что основным фактором интенсивности цветообразования является температурный режим сушки солода. К вторичному фактору относят процессы преобразования полифенолов сырья при хранении готовой продукции [1].

К органическим соединениям, формирующим цвет пива, принято относить меланоидины, карамели, катехины и другие фенольные соединения, а также рибофлавин [3]. Однако все эти соединения связаны спротеомной матрицей пива с помощью связей различной природы (химической, ионной, водородной, ковалентной, физических ван-дер-ваальсовых и пр.), и на этом было основано изучение поведения белковых (азотистых) соединений в отношении помутнения, стабильности, гашинга и прочих проблем с качеством [4], чего, на наш взгляд, недостаточно.

Подробно рассмотреть формирование цвета, с точки зрения протеомики, можно на примере образцов пивоваренной продукции, приготовленной с применением разного зернового сырья.

Цель исследования выявление факторов и особенностей формирования цвета пива в зависимости от типа зернового сырья.

Задачи: исследовать состав органических соединений и динамику их изменения в образцах на основе различного зернового сырья в течение брожения не только физико-химическими, но и математическими методами, позволяющими выявить неочевидные зависимости между органическими соединениями; составить уравнения зависимости образования цвета от соединений, оказывающих наибольшее влияние на образование цвета.

Объекты и методы. Объектом исследования послужило сусло, приготовленное из следующего зернового сырья: солода ячменного светлого, ячменя, кукурузы, риса и пшеницы. Несоложеное зерновое сырье вносилось из расчета 5 % от всей массы зернопродуктов. Варки осуществлялись на пилотной пивоварне (Германия) со структурой помола, состоящей из 85 % мелкой фракции и 15 % крупной (крупки). Затор выдерживался при всех температурных паузах, характерных для настойного способа затирания. Для классического охмеления применялся хмель сорта Магнум (производство Германия) из расчета 1 г/дм3 сусла во всех случаях. Сбраживание проводилось дрожжами S. cerevisiae 34/70 из расчета 20 млн кл/см3 охмеленного сусла при температурном режиме низового типа брожения: 7 сут при 7–9 °С длилось главное брожение и 21 сут при 1–2 °С длилось дображивание. Пиво фильтровалось, разливалось в стерильную тару, герметично укупоривалось и хранилось при (5 ± 3) °С в течение 5 сут (период исследования). В таблице 1 представлены характеристики объектов исследования и пива, полученного на их основе.

Применяли следующие методы исследования: определение содержания  β-глюкана проводилось по [5], определение растворимого азота проводилось по методу Къельдаля [6], определение катехинов проводили методом высокоэффективной жидкостной хроматографии диодно-матричном детектировании при длине волны 280 нм [7]; определение изогумулона проводили спектрофотометрическим методом по [8]; определение цвета проводили по методу [9]; определение содержания карамелей проводили фотоэлектроколориметрическим методом по [10]; определение содержания рибофлавина проводили спектрофотометрическим методом по [11].

 

Таблица 1

Характеристики исследуемых сусла и пива

 

Показатель

Содержание в образце из сырья, %

солода

Солода +

ячменя

кукурузы

риса

пшеницы

Сусло

Содержание сухих веществ, %

12,60±0,40

11,60±0,3

13,0±0,40

13,0±0,40

12,5±0,40

Пиво

Содержание действительного

экстракта, %

5,40±0,15

4,40±0,1

4,30±0,1

4,40±0,15

4,70±0,15

Содержание спирта, %об.

3,81±0,20

3,60±0,2

4,20±0,3

4,50±0,15

3,70±0,1

 

 

Фракционирование как азотистых, так и связанных с ними соединений проводилось методом осаждения с последующим определения общего азота по [6]. Высокомолекулярный растворимый азот (а также связанные с ними органические соединения) осаждали 2 % водным раствором танина (фракция А, 40–100 кДа); для осаждения высокомолекулярных и среднемолекулярных фракций азота использовали раствор молибдата натрия (Na2MoO4, 50 % раствор в кислой среде). В пробах исследовали содержание органических соединений.

Статистический анализ проводили в пяти повторностях. Была проведена описательная статистика, и значения выражены как среднее ± стандартное отклонение с пределом достоверности полученных данных (p ≥ 0,95). Статистические данные обрабатывались с помощью программы Statistica (Statsoft).

Результаты и их обсуждение. Затирание, как этап технологии пивоварения, служит основным способом переноса/извлечения растворимых соединений в жидкую фазу, формирующих в последующем структуру пива. В таблице 2 представлены показатели сусла, как исходного, так и в период брожения на разных стадиях. Выбор мониторинга представляемых в таблице 2 показателей неслучаен, поскольку все они имеют отношение к формированию окраски в течение технологического процесса пивоварения.

 

 

Таблица 2

Органические соединения сусла и пива из разного зернового сырья

 

Содержание

Содержание в образцах с допустимым отклонением, мг/дм3

сусло

пиво

молодое

после

дображивания

готовое

1

2

3

4

5

Солод

β-глюкана

124,1±11

98,2±7

94,4±7

86,9±7

Растворимого

азота

975,0±88

716,3±64

705,25±63

693,2±62

Катехинов

20,4±1,0

15,4±0,8

12,5±1,3

5,98±1,3

Изогумулона

26,0±3

19,0±2

18,5±2

18,0±2

Цвета, ед. ЕВС

12,0±0,5

10,3±0,5

10,0±0,5

10,0±0,5

Карамелей, ед. IH

1,75±0,1

1,35±0,1

1,30±0,1

1,25±0,1

Меланоидинов

125,0±12

110,5±10

109,0±10

107,0±10

Рибофлавина

1,48±0,1

1,75±0,1

1,65±0,1

1,40±0,1

Солод и ячмень

β-глюкана

166,5±15

136,7±12

123,5±11

108,2±10

Растворимого азота

987,5±88

740,6±65

722,0±64

716,4±63

Изогумулона

29,5±3

22,0±3

21,0±3

19,7±2

Катехинов

37,5±2

27,0±1

19,5±1

4,0±1

Рибофлавина

2,709±0,3

2,045±0,1

1,655±0,1

1,183±0,1

Меланоидинов

135,0±14

140,6±14

115,0±10

105,0±10

Карамелей, ед. IH

2,21±0,1

0,90±0,1

0,80±0,1

0,56±0,1

Цвета, ед. ЕВС

16,0±0,5

15,5±0,5

14,6±0,5

13,5±0,5

Солод и кукуруза

β-глюкана

184,5±14

147,6±10

105,0±7

98,1±7

Растворимого азота

1004,5±90

746,2±65

654,5±59

616,7±55

Изогумулона

33,8±4

31,2±4

27,0±3

24,7±3

Катехинов

20,62±1

17,85±1

15,4±0,7

13,2±0,7

Рибофлавина

1,55±0,01

0,62±0,01

0,45±0,01

0,28±0,01

Карамелей, ед. IH

1,35±0,1

1,30±0,1

0,85±0,1

0,50±0,1

Меланоидинов

140,0±13

73,0±7

55,0±5

35,5±3

Цвета, ед. ЕВС

25,0±0,5

14,8±0,5

14,0±0,5

13,5±0,5

Солод и рис

β-глюкана

196,4±14

188,0±14

176,4±14

158,6±11

Растворимого азота

1085,5±97

874,3±80

852,1±77

850,3±77

Изогумулона

25,5±3

20,4±3

19,7±3

18,4±2

Катехинов

25,0±1

23,0±1

14,2±0,7

5,1±0,2

Рибофлавина

4,45±0,04

3,15±0,03

3,55±0,03

2,98±0,03

Окончание табл. 2

1

2

3

4

5

Карамелей, ед. IH

2,05±0,1

1,80±0,1

1,40±0,1

1,05±0,1

Меланоидинов

185,5±15

155,6±14

145,0±13

135,6±12

Цвета, ед. ЕВС

14,0±0,5

11,5±0,5

10,55±0,5

10,0±0,5

Солод и пшеница

β-глюкана

228,5±15

215,8±15

206,5±15

198,6±14

Растворимого азота

1032,5±93

805,4±72

755,0±68

675,8±60

Изогумулона

28,0±3

24,2±3

22,5±3

21,0±3

Катехинов

24,5±1

23,0±1

14,2±0,7

4,6±0,2

Рибофлавина

3,90±0,03

2,52±0,03

2,41±0,02

2,20±0,02

Карамелей, ед. IH

1,35±0,1

0,70±0,1

0,70±0,1

0,70±0,1

Меланоидинов

168,2±15

163,0±15

155,0±14

145,8±14

Цвета, ед. ЕВС

13,0±0,5

11,0±0,5

10,5±0,5

9,5±0,5

 

 

Как видно по результатам таблицы 2, содержание β-глюкана в зависимости от применяемого злака увеличивается в сусле. Так, в солодово-пшеничном, солодово-рисовом, солодово-кукурузном и солодово-ячменном образцах сусла наблюдается увеличение содержание некрахмального полисахарида в 1,8; 1,6; 1,5 и 1,3 раза соответственно по сравнению с показателем солодового сусла. Выделение β-глюканов совместно с декстринами крахмала, структурного белка, липидов, фенольных соединений из клеточных стенок эндосперма несоложеных зерен происходит за счет действия ферментов солода [12]. Содержание β-глюкана злаковых (пшеницы и кукурузы) близко и составляет 1,7–1,8 %, в ячмене самое высокое содержание – до 19,8 %, а в рисе самое низкое – 0,13 % [13]. Однако на количественное содержание высвобождаемого β-глюкана влияет его растворимость, которая в рисе выше, чем в других злаках [13].

Соответственно, увеличение величины растворимого азота в сусле из солода и злаковых также объясняется ферментолизом соединений органической матрицы зерновых солодовыми протеазами.

Содержание катехинов более всего увеличивается при использовании 5 % ячменя – в 1,8 раза, риса или пшеницы – в 1,2–1,22 раза по сравнению с солодовым суслом (табл. 2), что подтверждает растворение злаковых полифенолов, содержащихся в несоложеных культурах в количестве 0,164–0,272 % в порядке снижения при последовательности: рис → кукуруза → ячмень → пшеница [14].

Показатель цвета в сусле из солода и кукурузы превышал в 2 раза, а в сусле из других злаковых – в 1,08–1,33 раза по сравнению с данным показателем чисто солодового сусла соответственно. Увеличение цветности сусла не коррелировало с увеличением содержания меланоидинов, поскольку окраску в комплексе реакций Майяра обеспечивают некоторые соединения, не всегда образующиеся в условиях конгрессного режима затирания сусла и его кипячения с хмелем [15].

Присутствие несоложеных злаков при затирании способствует увеличению содержания рибофлавина в сусле под воздействием ферментов солода. Есть данные, что все применяемые в исследовании злаки содержат рибофлавин, мг%: ячмень – 0,25; кукуруза – 0,20; рис – 0,09; пшеница – 0,11 соответственно [16]. Как видно из данных таблицы 2, содержание рибофлавина в сусле с применением несоложеных зернопродуктов количественно убывает в следующем порядке: рис → пшеница →ячмень → кукуруза, что не коррелирует с количеством витамина В2 в зерне. Предположим, что это связано с избирательным действием ферментов солода на структуру зерен, имеющую свои биохимические особенности [16].

В процессе брожения происходят трансформационные процессы, затрагивающие большинство органических соединений коллоидной матрицы.

Показатель цвета наибольшим образом снижается в случае применения кукурузного сырья при затирании (см. табл. 2), также как и содержание β-глюкана, растворимого азота и катехинов – в 1,5 раза, 2,5 и 1,3 раза соответственно, а также меланоидинов и рибофлавина. Понижение цвета в наименьшей степени по сравнению со всеми образцами происходит в образцах пива из солода и солода с добавлением ячменя. Так, наблюдается снижение содержания β-глюкана, растворимого азота  на 30 % икатехинов в 5 раз. Снижение содержания меланоидинов в сусле из ячменя и солода равнозначны, рибофлавина – до 50 % по сравнению с солодовым суслом (см. табл. 2).

Интересно отметить, что в случае чисто солодового сусла происходит небольшое накопление рибофлавина в течение процесса главного брожения и его содержание в молодом пиве увеличивается на 18 %, и далее происходит снижение содержания витамина. Данные колебания содержания обусловлены способностью дрожжей накапливать витамин В2 в присутствии достаточного количества редуцирующих соединений и аминокислот и потреблять (в условиях дображивания) оставшимися дрожжами [17].

Для выявления взаимосвязи между изменением цвета и органическими соединениями данные таблицы 2 были подвергнуты математическому анализу и получены коэффициенты корреляции, представленные в таблице 3.

 

 

Таблица 3

Показатели корреляции цвета и органических соединений сусла/пива

 

Показатель

Коэффициент корреляции

Цвет

β-глюкан

Растворимый

азот

Катехины

Изогумулон

Карамели

Меланоидины

Рибофлавин

Цвет

1

0,68

0,81

0,45

0,77

0,18

–0,65

–0,18

β-глюкан

0,68

1

0,67

0,37

0,35

0,23

0,78

0,72

Растворимый азот

0,81

0,67

1

0,59

0,46

0,73

0,70

0,76

Катехины

0,45

0,37

0,59

1

0,56

0,59

0,33

0,35

Изогумулон

0,77

0,35

0,46

0,56

1

0,25

–0,05

–0,09

Карамели

0,18

0,23

0,73

0,59

0,25

1

0,40

0,55

Меланоидины

–0,65

0,78

0,70

0,33

–0,05

0,40

1

0,89

Рибофлавин

–0,18

0,72

0,76

0,35

–0,09

0,55

0,89

1

 

 

Данные таблицы 3 показывают сильную (0,5 ˂ r ˂ 1,0) связь между цветом и некрахмальным полисахаридом, азотом, изогумулоном и меланоидинами. Существуют сильные связи корреляции между азотом и β-глюканом, карамелями, меланоидинами, рибофлавином; катехины изменяются в связи с азотом, изогумулоном и карамелями. Влияние некрахмальных полисахаридов, азота и меланоидинов на колористические характеристики цвета изучены [3, 15, 16]. Влияние изогумулона на цвет может объясняться опосредованным взаимодействием с белками различных фракций.

Взаимосвязь пептонов и изогумулона подтверждается другими исследованиями, свидетельствующими о ковалентной или ионной связи пенообразующих белков (LTP и Z-пептонами) и изогумулона [18, 19].  

Учитывая наиболее весомую роль азотистых соединений и их вклад в образование цвета, совместно с другими соединениями (табл. 2, 3), были рассчитаны уравнения зависимостей изменения цвета (Y) от растворимого азота (X) для каждого вида зернового сырья. Данные представлены в таблице 4.

 

Таблица 4

Корреляционные характеристики зависимости цвета пива от типа сырья

 

Состав сырья

Корреляционныехарактеристики

Уравнение

Коэффициенткорреляции (R) идетерминации (R2)

Солод ячменный

y = 0,00725 x + 5,2285

R=0,89; R2=0,79

Солод ячменный + ячмень

y = 0,00484 x + 9,4952

R=0,84; R2=0,70

Солод ячменный + рис

y = 0,00917 x + 3,547

R=0,91; R2=0,83

Солод ячменный + кукуруза

y = 0,02745 x 3,0118

R=1,0; R2=1,0

Солод ячменный + пшеница

y = 0,00965 x + 3,3281

R=0,98; R2=0,96

 

 

Результаты таблицы 4 подтверждают наличие сильной корреляции рассматриваемых параметров на основании общих коэффициентов корреляции и детерминации. По данным очевидна группировка по коэффициенту при переменной Х, что подтверждается различным составом азотистых соединений вследствие генных особенностей зернового сырья.

Заключение. Исследован состав органических соединений и динамика их изменения в образцах сусла и пива в зависимости от вида зернового сырья в течение брожения. Статистический анализ показал сильную (0,5 ˂ r ˂ 1,0) связь между цветом и некрахмальным полисахаридом, азотом, изогумулоном и меланоидинами, а также между азотом и β-глюканом, карамелями, меланоидинами, рибофлавином; катехины изменяются в связи с азотом, изогумулоном и карамелями. Математические методы позволили выявить неочевидные зависимости между содержанием азотистых соединений и цветом пива, что связано со структурой  протеома или набором аминокислотных последовательностей в составе азотистых фракций зернового сырья, определяемого генотипом. Приводимые исследования подтвердили влияние сырья как носителя азотистых соединений, взаимосвязь органических соединений пива в отношении влияния на вкус и цвет готового продукта. Дальнейшие перспективы исследования будут направлены на идентификацию соединений азотной природы, наибольшим образом участвующих в образовании вкуса и цвета готовой продукции. Проведенные исследования помогут в планировании получения пива с заданными показателями при определенной степени охмеления сусла.

Список литературы

1. How to objectively determine the color of beer? / D. Koren [et al.] // J Food Sci Technol. 2020.V. 57 (3). P. 1183–1189. DOI:https://doi.org/10.1007/s 13197-020-04237-4.

2. Hellwig M., Witte S., Henle T. Free and protein-bound Maillard reaction products in beer: method development and a survey of different beer types // J Agric Food Chem. 2016. Vol. 64 (38). P. 7234–7243. DOI:https://doi.org/10.1021/acs. jafc.6b02649.

3. Грибкова И.Н., Елисеев М.Н. Влияние соединений пива на формирование цвета // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2021. Т. 10, № 4 (56). С. 117–122. DOI:https://doi.org/10.46548/21vek-2021-1056-0024.

4. Proteomics as a tool to understand the complexity of beer / M.L. Colgrave [et al.] // Food Research International. 2013. Vol. 54 (1). P. 1001–1012. DOI:https://doi.org/10.1016/j.foodres.2012. 09.043.

5. ГОСТ 34799-2021. Продукция пивоваренная. Идентификация. Фотоэлектроколориметрический метод определения массовой концентрации β-глюкана. М.: Стандартинформ, 2021. 16 с.

6. ГОСТ 34789-2021. Продукция пивоваренная. Идентификация. Определение массовой концентрации общего азота методом Къельдаля. М.: Стандартинформ, 2021. 11 с.

7. Determination of polyphenols in beer by an effective method based on solid-phase extraction and highperformanceliquid chromatography with diode-array detection / M. Dvorakova [et al.] // Czech Journal of Food Sciences. 2007. Vol. 25. P. 182–188. DOI:https://doi.org/10.17221/690-CJFS.

8. Борисенко Т.Н., Нуштаева Т.И. Методы исследования качества сырья, полуфабрикатов и готовой продукции бродильных производств. В 3 ч. Ч. 3. Технология пива и безалкогольных напитков. Кемерово: КемТИПП, 2003. 104 с.

9. ГОСТ 12789-2022. Пивоваренная продукция. Методы определения цвета. М.: Стандартинформ, 2022. 19 с.

10. Linner R.T. Caramel color: a new method of determining its color hue and tinctorial power // Proceedings of the Society of Soft Drink Technologists Annual Meeting. Washington, 1970. P. 63–72.

11. Крыльский Д.В., Сливкин А.И., Брежнева Т.А. Практикум по фармацевтической химии (лекарственные вещества с гетероциклической структурой. Воронеж: Воронеж. гос. ун-т, 2008. 72 с.

12. Cereal β-d-Glucans in Food Processing Applications and Nanotechnology Research / L. Jurkaninová [et al.] // Foods. 2024. Vol. 13. P. 500. DOI:https://doi.org/10.3390/foods13030500.

13. Molecular Characteristics, Synthase, and Food Application of Cereal / W. Ma [et al.] // Journal of Food Quality. 2021. P. 6682014. DOI:https://doi.org/10.1155/2021/6682014.

14. Bioactive compounds and antioxidant activities of some cereal milling by-products / S.S. Smuda [et al.] // J Food Sci Technol. 2018. Vol. 55(3). P. 1134–1142. DOI:https://doi.org/10.1007/s 13197-017-3029-2.

15. Böhm W., Stegmann R., Gulbis O. Amino acids and glycation compounds in hot trub formed during wort boiling // Eur Food Res Technol. 2023. Vol. 249. P. 119–131. DOI:https://doi.org/10.1007/s 00217-022-04138-0.

16. Vitamins in Cereals: A Critical Review of Content, Health Effects, Processing Losses, Bioaccessibility, Fortification, and Biofortification Strategies for Their Improvement / M. Garg [et al.] // Frontiers in Nutrition. 2021. Vol. 8. P. 586815. DOI:https://doi.org/10.3389/fnut.2021. 586815.

17. Зипаев Д.В., Кожухов А.Н., Макушин А.Н. Влияние тиамина и рибофлавина на чистую культуру дрожжей при брожении пивного сусла // Пиво и напитки. 2020. № 3. С. 28–31. DOI:https://doi.org/10.24411/2072-9650-2020-10027.

18. Lu Y., Bergenståhl B., Nilsson L. Interfacial properties and interaction between beer wort protein fractions and isohumulone // Food Hydrocolloids. 2020. Vol. 103. P. 105648. DOI:https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2020.105648.

19. Interaction of proteins and amino acids with iso-α-acids during wort preparation in the brewhouse / N. Bastgen [et al.] // European Food Research and Technology. 2022. P. 248. DOI:https://doi.org/10.1007/s00217-021-03926-4.


Войти или Создать
* Забыли пароль?