Непрерывные методы фильтрования

Непрерывные методы фильтрования еще не нашли широкого применения. На практике опробован разделенный на камеры ротационный фильтр APV, сходный с фильтр-чаном, но в котором предусмотрено выщелачивание в противотоке.

2.4.10.1. Вакуумный барабанный фильтр предназначен прежде всего для фильтрования затора, приготовленного из тонкого помола. Непрерывно извлекаемый затор в нем обрабатывается за один проход продолжительностью 20-30 мин. Тонкий фильтрующий слой дробины толщиной в несколько мм в сочетании с фильтрующим полотном из полипропилена (размер ячеек 80 мкм) при использовании вакуума позволяет получать только мутное сусло, требующее дополнительного осветления в центрифуге. Несколько улучшить осветляющее действие позволяет добавление кизельгура (около 100 г/гл).

2.4.10.2. В системе Pablo используются два горизонтальных сепаратора конической формы. Затор подводится к вершине конуса. После отделения сусла дробина перемещается в следующую часть кожуха центрифуги и по пути промывается водой. Дробина обрабатывается еще раз во втором сепараторе аналогичной конструкции после того, как она предварительно взмучивается с водой.

Стекающее сусло с промывной водой необходимо дополнительно осветлять с помощью центрифуги. Система повторного применения образующегося сусла невысокой плотности позволяет в конечном итоге использовать для выщелачивания дробины небольшое количество воды.

2.4.10.3. Декантеры предназначены для разделения твердых и жидких веществ, тем самым для переработки заторов с высоким содержанием твердых частиц (дробины из порошкового помола). В горизонтальном цилиндроконическом барабане центрифуги со шнеком затор под действием центробежной силы разделяется на дробину и сусло. При правильной регулировке сусло характеризуется удовлетворительным содержанием твердых частиц (около 100 г/мл), но повышенным содержанием ненасыщенных жирных кислот. Так как дробина еще имеет влажность 63-70 %, это позволяет получить приемлемый выход. Дальнейшая обработка полученного таким способом сусла не представляет особых проблем с получением вполне приемлемого пива.

Несмотря на оптимистичные результаты экспериментов системы непрерывного фильтрования еще не получили широкого распространения из-за появления в последние годы усовершествованных фильтр-чанов или фильтр-прессов.

Сборник первого сусла

В зависимости от продолжительности затирания солода или перекачивания сусла, длительности фильтрования и кипячения сусла и тем самым общего времени работы сусловарочного котла или вирпула, может потребоваться дополнительная емкость, в которую во время кипячения сусла предыдущей варки помещается отфильтрованное сусло. Этот сборник первого сусла изготавливают из обычных материалов в виде горизонтального или вертикального танка с теплоизоляцией. Его размеры должны соответствовать: при 4 ч перекачивания - количеству первого сусла, при 3,5 ч - количеству перекачиваемого материала, а при менее 3 ч - общему отфильтрованному объему («полному объему сусла, поступающего в варочный котёл»). При перекачивании в течение 2 ч 40 мин и менее сусло в сборнике необходимо нагреть до температуры 90-95 °С, чтобы не загружать на это время сусловарочный котел. Нагревание можно осуществлять при помощи соответствующих встроенных змеевиков, но лучше путем перекачивания сусла через теплообменник.

При реконструкции или новом строительстве варочного цеха вместо сборника, теплообменника и котла лучше смонгитировать два сусловарочных котла, оснащенных внутренними кипятильниками. В случае использования внешнего кипятильника достаточно одного такого аппарата для попеременного нагревания сусла в обоих котлах. При этом отпадает необходимость в перекачивании сусла, которое зачастую приводит к неконтролируемому поглощению кислорода. Установлено, что для сусла, находящегося в дополнительном резервуаре, наиболее благоприятна температура 75-78 °С. Нагревание до температуры кипения следует вести 40-60 мин; оно не должно проходить слишком быстро, так как в этом случае происходит усиление окрашивания сусла.

Если имеется горячая вода температурой около 98 °С, то при перекачивании из сборника в котел сусло нагревают примерно до 95 °C в теплообменнике. Как правило, эта операция занимает не более 20 мин.

Кипячение и охмеление сусла

Полученное в результате фильтрования сусло кипятят, добавляя к нему хмель в той или иной форме. Цели кипячения сусла с хмелем состоят в испарении избыточной воды для получения нужной концентрации сусла, в инактивации ферментов, в стерилизации сусла, максимальной коагуляции белков в виде взвесей горячего сусла («бруха») и, наконец, в растворении в сусле ценных компонентов хмеля, прежде всего горьких веществ. При этом возникают такие побочные явления, как образование редуцирующих веществ и испарение летучих ароматических веществ. Изменения повышения цветности и кислотности легко контролируются.

Сусловарочный котел

Кипячение сусла, как и затора, производят в специальных резервуарах - сусловарочных котлах.

2.5.1.1. Вместимость сусловарочных котлов составляет приблизительно 9 гл/100 кг засыпи солода (для приготовления 12 %-ного пива), а заторных котлов - 4-5 гл. В небольших варочных цехах затор и сусло варят в одном котле, при этом нагревательные поверхности следует рассчитать так, чтобы обеспечить и кипячение небольших частей затора (около 1 гл/100 кг) без подгорания твердых частиц, и всего объема сусла, составляющего 7-7,5 гл/100 кг засыпи. В котлах, рассчитанных без запаса, эффективность кипячения может оказаться проблематичной; кроме того, существует опасность того, что сусло окажется перекипяченным.

2.5.1.2. Котлы изготавливают из стали, нержавеющей стали или меди. Нередко нержавеющую сталь применяют для плакирования стальных листов. Хотя теплопроводность меди на 30 % выше, чем у стали, ионы Cu²⁺ могут неблагоприятно влиять на качество и стойкость пива.

2.5.1.3. Форма днища котлов может быть круглой и прямоугольной. Стенки котлов (царги) из стального листа плоские, а у котлов из меди обычно выпуклые.

2.5.1.4. Отношение высоты слоя жидкости к диаметру должно составлять примерно 1 : 2, что позволяет установить необходимые поверхности нагрева и легко отводить образующийся водяной пар. Чем меньше диаметр и чем глубже котел, тем меньше испарение.

Одним из важнейших узлов котла является контур обогрева. Различают прямой обогрев открытым пламенем и кипячение с помощью паровых или водяных рубашек.

2.5.1.5. Котлы с прямым обогревом старой конструкции обмуровывают, а топочные газы по системе дымоходов направляют вдоль стенки котла. Чтобы исключить пригорание затора или перегрев боковых стенок в случае недостаточного заполнения котла, эти дымоходы, особенно у заторных котлов, не следует располагать слишком высоко.

2.5.1.6. В котлах, обогреваемых мазутом, применяют так называемую стальную топку, которая легче регулируется благодаря меньшему объему обмуровки и КПД которой приближается к общему КПД установок с косвенным обогревом. Хорошо зарекомендовал себя обогрев газом. Отходящее тепло таких систем обогрева целесообразно использовать в теплообменниках для получения горячей воды.

2.5.1.7. Котлы с паровым обогревом имеют двойное дно или каналы, выполненные в форме половинок труб или профилей, или нагревательные элементы в виде внутренних или внешних кипятильников.

Система нижнего обогрева или обогрева боковых поверхностей конструктивно выполняется обычно в виде двух зон, причем во внутреннюю зону подводится пар большего давления (острый пар). Отношение площади внешней нагревательной поверхности к внутренней смещается с увеличением объема котла в сторону внешней поверхности. Обычно оно составляет 3 : 1, но для очень больших котлов (на 10 т засыпи) может измениться до 5 : 1. У так называемых высокопроизводительных котлов днище конусообразные и подняты так высоко, что создаются благоприятные условия для испарения и движения сусла при кипячении изнутри наружу, как у котлов с прямым обогревом. Для получения более плотного сусла может потребоваться разделение внутренней поверхности нагрева. У таких котлов пар или горячая вода для обогрева подается в расположенные по спирали и приваренные снаружи полутрубы или профильные элементы.

Для обеспечения эффективного кипячения в таких котлах большое значение имеет удаление воздуха из поверхностей нагрева, особенно в случае использования двойных днищ, а также правильный расчет размеров устройств для отвода конденсата.

В котлах с прямоугольным днищем необходимые поверхности нагрева создаются намного проще. Встречаются также котлы с овальным или трапециевидным поперечным сечением.

Внутренний кипятильник в своем первоначальном виде представлял собой систему жестких или подвижных труб, которые необходимо проложить как можно глубже, чтобы имелась возможность нагрева всех слоев затора или сусла. Змеевики должны быть всегда покрыты жидкостью. Скорость вращения подвижных нагревателей невелика (6-10 об/мин). В основе современных внутренних нагревательных элементов положена конструкция применявшихся ранее дополнительных кипятильников. Они имеют форму цилиндров, смонтированных по отдельности или собранных в пакет. В одной из конструкций они расходятся «звездой» от центрального элемента, а в другой нагревательные трубы установлены в «стакан», образованный в днище котла. Аналогичная система используется для обогрева заторных котлов. Для таких кипятильников, работающих обычно без дополнительного обогрева днища, важно, чтобы их диаметр находился в строго определенном соотношении с диаметром котла. Если он слишком большой, то фонтанирование кипящего сусла не убывает вплоть до периферии, и возникает опасность перегрева, то есть поверхность обогрева будет использоваться не полностью. Если диаметр котла слишком мал, то в некоторых случаях существует риск недостаточного охвата периферийных зон сусла.

Современные внутренние кипятильники представляют собой или «открытую» систему, в которой трубы размещены по кругу или в два ряда вокруг центра котла, образуя своего рода «обойму», или пучок труб, на котором установлен так называемый «подпорный конус» с короткой трубой, направляющий смесь из сусла и пузырьков пара на регулируемый обтекаемый экран. Такая конструкция позволяет добиться требуемого равномерного распределения сусла. Температура над кипятильником не должна превышать температуру сусла в котле более чем на 2 °С. В небольших котлах размер поверхностей нагрева подбирают так, чтобы они могли работать при очень низкой температуре теплоносителя. В «закрытых» системах чем ниже температура теплоносителя (пара или горячей воды), тем лучше.

Внешние кипятильники - это системы из пучка труб или пластин из меди или нержавеющей стали, смонтированные рядом с сусловарочным котлом. Хотя в кипятильниках с ламинарным течением возникает термическая циркуляция, для полной π равномерной загрузки поверхностей нагрева важен подающий насос. Так как в этом случае при термической циркуляции устанавливается более низкая скорость потока в системе, что приводит к блокированию кипятильника, за счет многократного изменения направления потока жидкости стремятся достичь скорости 2,5-2,7 м/с, благодаря чему интервал между двумя мойками увеличивается до 16-24 варок. В зависимости от температуры теплоносителя и сусла, а также требуемой степени испарения подающий насос должен обеспечивать от 8 до 12 перекачиваний содержимого котла в час, а при использовании компрессионного вторичного пара - от 10 до 24 перекачиваний. Давление в самом кипятильнике относительно сусловарочного котла регулируется редукционным клапаном в зависимости от требуемой температуры (101-108 °С). Сусло поступает после кипятильника в котел по рассчитанному с запасом трубопроводу в центре (через сопло с напорной трубой и экраном) или тангенциально на уровне полного заполнения котла, желательно под углом 23° к стенке котла. Последний вариант обеспечивает более равномерную обработку сусла. В зависимости от температуры теплоносителя (120-135 °С) площадь поверхности нагрева составляет соответственно 15 и 10 м²/100 гл, а для сжатого вторичного пара (103-110 °C) - 165 и 40 м²/100 гл. Таким образом, потребляемая мощность циркуляционного насоса при указанной выше производительности варьирует от 5,5 до 15 кВт.

При помощи внешних кипятильников можно попеременно обогревать несколько котлов, а при наличии соответствующего количества изолированных емкостей они могут выполнять для одной варки роль сборника первого сусла, котла и, наконец, вирпула (см. раздел 2.7.7.). Такую компоновку можно реализовать и с внутренними кипятильниками, но в этом случае каждую емкость необходимо оснащать отдельным кипятильником.

2.5.1.8. Отведение водяного пара в круглых котлах с обтекаемым колпаком осуществляется под воздействием естественной тяги. В других конструкциях, а также при наличии испарительных конденсаторов для отвода испаряющейся влаги необходим вентилятор соответствующей производительности. Возврата испарительного конденсата, например, через приемные каналы с отводящим трубопроводом, следует избегать.

2.5.1.9. Месильные органы для заторных котлов являются обязательными, а при прямом обогреве они оборудуются цепью для предотвращения пригорания затора. Окружная скорость составляет около 3 м/с, исходя из которой рассчитывают число оборотов при заданной длине лопасти. Для обеспечения возможности работы с разными объемами затора и выполнения разных задач (нагрева, пауз, кипячения) скорость вращения должна регулироваться (см. раздел 2.3.2.8).

Для сусловарочных котлов месильные органы не обязательны, однако при обогреве днища и вертикальных поверхностей, особенно при нагревании до кипения в случае прямого обогрева их наличие желательно (для улучшения теплоотдачи и предотвращения окрашивания сусла).

Котлы для кипячения сусла под давлением рассчитаны на избыточное давление до 1 бар. Они допускают варку сусла при температурах до 120 °С, но в настоящее время обычно применяют температуры 102-104 °С (температура во внутренних или внешних кипятильниках несколько выше (на 1,5-2 °С). Такие котлы должны быть оборудованы предохранительными клапанами, герметичными смотровыми люками и закрывающимися заслонками вытяжной трубы.

Установки непрерывного кипячения сусла включают в себя два теплообменника для нагревания сусла и понижения температуры образующегося вторичного пара до 87 или 107 °С, а также нагревательное устройство, поддерживающее необходимую температуру реакции около 130 °С. Температура кипения поддерживается в течение 2,5-3 мин, а затем происходит сброс давления в двух последовательно соединенных выпарных аппаратах, и температура падает до 117 и 100 °С. В такой системе сусло подается на вирпул, а в другой технологии применяется еще один сброс давления пара в вакуумном аппарате при температуре 50 °С. Испарение в этих конструкциях составляет 6-8 %.

Испарение избыточной воды

При фильтровании первое сусло оказывается слишком сильно разбавленным промывными водами, необходимыми для более полного вымывания дробины. Чтобы получить требуемое значение конечной концентрации сусла в течение определенного времени кипячения, до последнего времени считалось необходимым поддерживать испарение около 8-10 % в час от объема охмеленного сусла. Более высокая степень испарения не оправдана, так как для хода описываемых далее превращений необходимо соблюдение определенной продолжительности кипячения, зависящей от температуры. При традиционном способе кипячения с использованием обогрева днища его продолжительность составляет 90-100 мин, но в современных системах продолжительность кипячения существенно меньше. Интенсивное испарение, которое представлялось необходимым, например, для получения крепкого пива, оказалось не оправданным по технологическим соображениям, а также с точки зрения энергетических затрат. Так называемый порог рентабельности последней промывной воды составляет около 2 % (см. раздел 2.3.2.4), из-за чего не допускается повышенный расход энергии. Следствием слишком большого сокращения испарения может стать недостаточное удаление ароматических веществ. Все такие мероприятия должны быть сбалансированы с учетом типа системы кипячения сусла и типа производимого нива.

Испарение сусла и воздействие температуры кипения сопровождается целым рядом дополнительных явлений, которые, как и во многих других процессах, оказывают влияние на ход всего процесса пивоварения и до некоторой степени ограничивают и затрудняют его течение.

Во время кипячения происходит разрушение ферментов солода и тем самым - фиксация соотношения содержащихся в сусле веществ. Кроме того, сусло стерилизуется. Все микроорганизмы, попавшие в сусло из солода, воды, а также внесенные с подкислителем, уничтожаются. Для достижения необходимой инактивации ферментов продолжительность кипячения может быть короче.

В процессе кипячения значение рИ сусла снижается на 0,15-0,25, что обусловлено добавлением горьких кислот хмеля, образованием меланоидинов, и, в первую очередь, кислотным действием ионов кальция и магния, а также осаждением щелочных фосфатов.

Цветность сусла при кипячении увеличивается. Степень окрашивания зависит от продолжительности кипячения (1-1,5 ед. EBC в час), от температуры теплоносителя, особенно в «закрытых» системах, от температуры самого сусла, от его значения pH, от количества хмеля и хмелевых препаратов, содержащихся в них дубильных веществ, от содержания образовавшихся ранее красящих веществ, от содержания в солоде полифенолов, а в сусле - кислорода. При фильтровании с доступом воздуха степень окрашивания может увеличиться вдвое.

Коагуляция белка

Особенно важным изменением сусла в процессе кипячения является выпадение белковых веществ в осадок. Первоначально прозрачное сусло в начале кипячения становится сначала непрозрачным и мутным. В процессе кипячения сусла вещества, выделившиеся сначала в виде очень тонкой взвеси, взаимодействуют друг с другом, образуя более грубый и объемный осадок. Выделившиеся в виде хлопьев вещества представляют собой в основном коагулируемые белки, которые называют «брух» или «взвеси горячего сусла».

Эти процессы осветления имеют большое значение для полноты, гармоничности вкуса и стабильности пива. Недостаточная коагуляция белков не только ухудшает эти свойства, но и оказывает косвенное влияние путем обволакивания дрожжей во время главного брожения и дображивания. Именно недостаточное снижение значения pH при брожении ухудшает последующее выделение белков при брожении, приводит к снижению степени сбраживания, худшему осветлению и, наконец, к появлению у пива «белковой горечи». Слишком глубокая коагуляция белка вызывает снижение содержания высокомолекулярных белковых соединений, что негативно сказывается на пенообразующих свойствах пива, полноте и округлости его вкуса.

Собственно процесс коагуляции протекает в две стадии: первая имеет преимущественно химическую природу и называется денатурированием, а во второй фазе (ее называют коагуляцией) протекают коллоидные, химические и физические процессы.

Азотсодержащие коллоиды сусла гидратированы, то есть окружены водяной пленкой («эмульсоиды»), что в сочетании с электрическим зарядом придает им некоторую стабильность. При температурах кипения происходят межмолекулярные превращения, приводящие к разрыву водородных связей и, как следствие, к потере гидратационной воды. Эту дегидратацию можно усилить добавлением дегидратирующих веществ - тан-нинов, спирта, некоторых ионов, например, SO₄^2-, и тяжелых металлов. После дегидратации частицы еще поддерживаются в лабильном коллоидном состоянии («суспензоиды») благодаря своему электрическому заряду. В так называемой изоэлектрической точке», в которой положительно и отрицательно заряженные группы амфотерных белков нейтрализуют друг друга, дегидратированные молекулы особенно нестабильны и выпадают сначала в мелкодисперсной, а затем во все более грубой форме. Поскольку изоэлектрические точки у различных растворенных в сусле белков никогда не совпадают, то и образование белковых хлопьев не может проходить равномерно и в полной мере.

Согласно новым данным по денатурации молочного белка при нагревании сначала происходит расщепление водородных и образование дисульфидных мостиков. Высвободившиеся сульфгидридные группы соединяются с другими пептидами и белками. Этот тиолдисульфидный обмен можно стимулировать с помощи восстановителей или ингибировать агентами, способствующими блокированию сульфгидридных групп. Вопреки господствовавшему до последнего времени мнению полифенолы не оказывают прямого действия на выделение белков, так как соединение дубильных веществ с молекулами белков осуществляется с помощью водородных мостиков, которые при высокой температуре нестабильны. Осаждающее действие полифенолов могло бы проявиться лишь при температуре ниже 80 °С, то есть к тому моменту, когда прозрачное сусло начинает мутнеть при охлаждении (см. раздел 2.7.3.2). Действие полифенолов на белковые вещества сусла до настоящего времени определялось аналитически только в сусле с температурой около 20 °С, причем анализу предшествовало осветление путем центрифугирования или грубой фильтрации. Значение полифенолов можно было бы объяснить их редуцирующими свойствами, препятствующими окислению сульфгидрильных групп, в результате чего они могут участвовать в тиолдисульфидном обмене. Этим объясняется благоприятное действие высокого содержания полифенолов в сырье, что коррелирует с повышенной восстанавливающей способностью сусла. На осаждение белков положительное действие оказывают горькие вещества хмеля, которые вступают в соединение с £-аминогруппами лизина; аналогичное воздействие оказывают редуцирующие группы продуктов реакции Майяра.

Оптимальное значение pH для осаждения белков составляет менее 5,2, но в нормальных условиях оно практически недостижимо. Хорошо растворенный солод или солод, отсушенный при очень высокой температуре, отрицательная остаточная щелочность пивоваренной воды (например, отношение карбонатной жесткости к некарбонатной жесткости 1:2-2,5) или биологическое подкисление сусла в сочетании с интенсивным кипячением поддерживают процесс выделения белков.

Р-глобулин, вызывающий, как считается, образование помутнений в пиве, имеет изоэлектрическую точку при pH 4,9;

у него, как и у других участвующих в образовании помутнений компонентов, например, 8- и £-гордеинов, для достижения более глубокого осаждения белков необходимы более низкое значение pH сусла и восстановительное действие дубильных веществ солода и хмеля.

Первая стадия образования взвесей горячего сусла в условиях кипячения сусла обычно протекает полностью, а вторая осуществляется не всегда, то есть белок выпадает в виде тонкой мути, не образуя хлопьев. Осадок взвесей горячего сусла не всегда бывает грубодисперсным - может оставаться слабая опалесценция, свидетельствующая о присутствии сравнительно большого количества белка, способного к коагуляции.

Показателем действия кипячения в горячем охмеленном сусле считается остаточное содержание коагулируемого азота, которое должно составлять от 1,8 до 2,2 мг/100 мл. Из физических факторов образования взвесей горячего сусла в первую очередь следует упомянуть продолжительность кипячения. При традиционном кипячении для получения низкого остаточного содержания коагулируемого азота вполне достаточно кипячения в течение 1,5-2 ч. В некипяченом сусле еще содержится в среднем 6 мг коагулируемого азота, снижение содержания которого приведено в табл. 2.13.

Таблица 2.13. Снижение содержания коагулируемого азота

Продолжительность кипячения, мин
Содержание коагулируемого азота, мг/100 мл	5,5	4,0	3,4	2,7	2,2

Выделение белка продолжается и при дальнейшем кипячении, однако происходящие при этом изменения несущественны.

Кроме того, для выделения взвесей горячего сусла в виде крупных хлопьев важен способ кипячения. Признаком интенсивного кипячения является очень быстрый отрыв образующихся на дне котла пузырьков пара, и подъем их на поверхность. Денатурированные белковые или белково-дубильные комплексы скапливаются на поверхности пузырьков пара и укрупняются. В результате происходит увеличение концентрации белковых веществ. Чем интенсивнее кипение, тем мельче пузырьки пара, тем больше их поверхность и, таким образом, сильнее взаимодействие частиц. На первой стадии кипячения сусло зачастую склонно к избыточному пенообразованию - это происходит до тех пор, пока не пройдет денатурация способных к коагуляции молекул.

В отличие от старых паровых котлов со сферическим обогреваемым дном, отличавшихся слабым кипением и неудовлетворительным испарением, производительность современных котлов с приподнятой внутренней поверхностью обогрева и обогреваемых мазутом котлов со стальной топкой вполне удовлетворительна. Хорошее кипение в них выражается определенной величиной почасового испарения, которое, как мы уже отмечали выше, должно составлять 8-10% (табл. 2.14).

Таблица 2.14. Почасовое испарение и содержание коагулируемого азота в современных котлах

Почасовое испарение, %
Содержание коагулируемого азота, мг / 100 мл	3,2	2,6	2,1	1,7

Для увеличения интенсивности кипения и эффективности испарения в котлы устаревшей конструкции зачастую встраивают дополнительные кипятильники. С их помощью не только удается компенсировать недостатки этих котлов - по своей эффективности они часто превосходят даже высокопроизводительные котлы. При использовании внутренних кипятильников, которые даже без обогрева котла обеспечивают высокую интенсивность испарения, может иметь место недостаточное перемешивание сусла во внешних зонах емкости. Вследствие этого происходит не только неполное выделение белка, но и недостаточное испарение летучих веществ. Для устранения подобных проблем на нагревателях с небольшим диаметром устанавливают экраны, на которые при кипячении направляются конвекционные потоки сусла. Опасение, что при очень сильном кипении взвеси горячего сусла могут разрушаться, устраняют путем менее интенсивного кипячения этих взвесей с помощью внешних поверхностей нагрева котла в течение 10 мин перед перекачиванием.

И наконец, в процессах кипячения сусла значительную роль играют форма котла и форма объёма, заполненного жидкостью, а также перепады температур в отдельных зонах поверхностей нагрева. Нагревание при кипячении происходит путем конвекции. Часть жидкости, непосредственно соприкасающаяся с поверхностями нагрева, расширяется и поднимается вверх. Аналогично ведут себя всплывающие пузырьки пара, которые увлекают за собой жидкость. Сусло начинает перемещаться, удаляясь от места наиболее сильного нагрева, и возникает поток определенной силы и направления. Так как обогреваемое дно в котлах с прямым обогревом выгнуто в центре, то в этом месте образуется более тонкий слой жидкости, что вместе с более высокой температурой поверхности нагрева приводит к образованию потока от центра к периферии. Аналогичные процессы происходят в так называемых высокопроизводительных котлах с приподнятой внутренней зоной нагрева, обогреваемой паром повышенного давления. В прямоугольных котлах возникает аналогичный поток, который в данном случае направлен от одной обогреваемой стороны котла к другой, менее нагретой. При этом необходимо следить за тем, чтобы с поверхностью нагрева соприкасались все частицы сусла во избежание образования застойных зон. В данном случае целесообразным представляется использование внутренних поверхностях нагрева (пластин или труб).

Выносные кипятильники используют в режиме регулировки повышенных температур, воздействующих на сусло в варочном котле до выпаривания в среднем 8-10 раз в час. Во избежание слишком интенсивного осаждения белка в последнее время перешли к режиму кипячения при температурах 102-104 °С в течение 60-70 мин. Данный режим применяют и для внутренних кипятильников с напорным конусом и распределительным экраном (продолжительность кипячения 70-80 мин). Так как сусло в этих системах застаивается, то на коагуляцию белка влияет и температура обогревающего пара. Для испарения сусла целесообразно использовать по возможности более низкие температуры насыщенного пара (а при известных условиях и впрыскивание конденсата).

При свободном потоке жидкости (например, в котлах с двойным днищем или в котлах с прямым обогревом) температура теплоносителя не оказывает при кипячении особого влияния, но сказывается на других реакциях, в частности, на окрашивании (при обогреве без перемешивания). Подобно описанному выше способу кипячения при атмосферном давлении с использованием внешних или внутренних кипятильников, при кипячении при пониженном давлении происходит усиленная коагуляция белка, вследствие чего его ограничивают 25-30 мин при температуре в котле 102-103 °С (в кипятильнике соответственно на 1,5-2 °С выше) в рамках общей продолжительности кипячения 60-65 мин. В описанных способах кипячения при известных условиях может не хватать времени для реакций изомеризации α-кислот и расщепления предшественников ДМС, и поэтому при высокотемпературном кипячении сусла вернулись от первоначально высоких температур к кипячению в течение 2,5-3 мин при 130 °С.

На интенсивность осаждения белка влияет не только его значение pH, но и состав сусла. Чем лучше растворен солод, тем больше он содержит редуцирующих полифенолов, способствующих установлению тиолдисульфидного равновесия относительно выпадения в осадок высокомолекулярных азотистых веществ или денатурирования при охлаждении (в случае неохмелённого сусла). Некоторые данные см. в табл. 2.15.

Таблица 2.15. Снижение содержания азотистых веществ в зависимости от степени растворения белка

Степень растворения белка солода, %
Снижение содержания антоцианогенов, мг/л
Снижение содержания общего азота, мг/л
Снижение содержания коагулируемого азота, мг/л

Осаждение общего азота, даже превышающее количество коагулируемого азота, свидетельствует о том, что во время кипячения происходит укрупнение коллоидов, которые затем в результате описанных выше реакций денатурируются и осаждаются.

В сусле, приготовленном без доступа кислорода, содержится больше редуцирующих полифенолов; с ним вносится меньшее количество высокомолекулярного и коагулируемого азота, в результате чего в современных системах кипячения возникает необходимость тщательного регулирования продолжительности и температуры кипячения.

В фильтр-чанах старой конструкции с очень длительным периодом фильтрования вынужденно начинали кипячение относительно рано. Как бы то ни было, кипячение после окончательного заполнения котла должно продолжаться еще около 75 % общего времени кипячения, чтобы поступающие с промывными водами азотсодержащие и дубильные вещества, а также кремниевая кислота вступили в реакцию и выпали в осадок.

Для улучшения осаждения белка и сокращения времени кипячения сусла добавляют различные стабилизирующие вещества. В Германии разрешено использовать бентониты и кизельгели (силикагель), которые при внесении от 20 до 50 г/гл не только стимулируют коагуляцию азотсодержащих веществ, но и способствуют улучшению изомеризации горьких веществ. С учетом стабильности готового пива указанное внесение этих добавок экономически оправдано (см. раздел 7.6.4.2).

Добавление поливинилполипирролидона (ПВПП) при кипячении сусла приводит к снижению содержания полифенолов в сусле и пиве, но эта мера препятствует интенсивной коагуляции белка. Внесение ПВПП с учетом стабильности пива эффективно только при низком содержании азота в сусле из несоложеного сырья.

Внесение таннина (3 г/гл) усиливает выделение азота при кипячении сусла на 2 мг/100 мл, улучшается также осветление пива и его физико-химическая стабильность. В Германии его применение запрещено, как и каррагена (ирландского мха). Эти высокополимерные углеводы в количестве 4-8 г/гл способствуют осаждению белка. В современных конструкциях котлов с их интенсивным процессом кипячения использование этих добавок не требуется.

Охмеление сусла

При варке сусла хмель добавляют для придания суслу горького вкуса и хмелевого аромата. Хмель влияет также на процесс осаждения белков, он обладает окрашивающим и консервирующим действием.

Раствор компонентов хмеля не является однородным: большая часть полифенолов, белковых веществ хмеля и его минеральные вещества растворимы, тогда как горькие кислоты, содержащиеся в свежем хмеле, переходят в раствор лишь постепенно, частично оставаясь нерастворенными. Мягкие и твердые смолы переходят в раствор легче, чем α- и ß-кислоты.

2.5.4.1. Растворение горьких веществ. Решающую роль в их растворении играет значение pH сусла. Так, например, α-кислота при pH 5,9 имеет растворимость 490 мг/л, а при значении pH 5,2 - всего 84 мг/л; растворимость ß-кислот в тех же условиях составляет лишь 12 или 8 мг соответственно. При повышенных значениях pH горькие вещества находятся скорее в молекулярно-дисперсном состоянии, частично в виде солей, и в этом состоянии они придают стойкую горечь. При низких значениях pH преобладает коллоидное состояние горьких веществ. Оба эти состояния присутствуют в растворе параллельно, причем при нормальном значении pH сусла (5,4-5,6) преобладает коллоидное растворение.

Во время кипячения сусла α-кислоты - гумулон, когумулон и адгумулон - превращаются в изомеры, которые называют изогумулонами. При этом структура шестичленного кольца переходит в пятичленную. Каждый из гомологов α-кислот образует 4 изомера. Каждая из двух пар отличается положением боковых групп на четвертом атоме углерода (цис-и транс-тотумулои), а другие - позицией двойной связи на одной из этих двух боковых цепочек (цис- и транс-алло-изогумулоны).

Другие продукты превращения α-ки-слот изучены еще недостаточно. Спиро-изогумулоны присутствуют в небольшом количестве; гумулиноны и гумулиновые кислоты в сусле, охмеленном традиционным способом, не обнаружены. При кипячении сусла в течение 2 ч из внесенных α-кислот образуется 40-60 % различных изо-α-кислот, тогда как от 5 до 15 % α-кислот остаются неизомеризованными. Одна их часть, например, абео-изогумулоны, превращается при кипячении в продукты окисления, которые слабо участвуют в формировании горечи пива, но положительно влияют на качество пены. Их содержание можно увеличить путем аэрации. Большую часть потерь α-кислот или изомеризованных продуктов можно объяснить неполной экстракцией шишек хмеля или частичек хмелевого порошка, а также осаждением вместе с коагулятами белка (см. раздел 2.5.3). Лишь часть горьких веществ присутствует в свободной форме - другая часть адсорбирована высокомолекулярными веществами. Количество растворимых фракций смол увеличивается по мере старения хмеля.

Изогумулоны, представляющие собой смесь разнообразных стереоизомеров с различным потенциалом горечи, по сравнению с α-кислотами намного более растворимы при низких значениях pH. Так, например, пороговое значение при pH 5,05 составляет около 800 мг/л. Так как α-кислоты, еще присутствующие в сусле, во время резкого снижения pH при брожении становятся нерастворимыми, остаются в деке (хмелевой дробине) и осаждаются вместе с коагулирующим белком, то формирование гореч