Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ПИВА

Изобретение относится к области пищевой промышленности, а именно к области производства напитков, преимущественно пива и может быть использовано для нетеплового обеззараживания и очистке в производстве пива.

Жидкие пищевые продукты, например молоко, квас, пиво, вино, фруктовые и ягодные соки, являются идеальной средой для развития микроорганизмов. В связи с этим установлены соответствующие требования к технологическим процессам их переработки, в частности к процессу их обеззараживания.

Известны способы обеззараживания жидких пищевых продуктов.

Это прежде всего пастеризация, т.е. нагревание продуктов до температуры не выше 100°C. При пастеризации уничтожаются преимущественно вегетативные формы микробов.

Другой способ тепловой обработки продуктов - стерилизация, т.е. нагревание до температуры выше 100°C с различной выдержкой. При этом уничтожаются как вегетативные формы микробов, так и их споры.

Однако тепловая обработка жидких пищевых продуктов существенным образом сказывается на их биологической ценности.

Пастеризация пива - это наиболее распространенный способ увеличения его стойкости, но при тепловой обработке пива разрушаются витамины, ферменты, происходят другие нежелательные изменения в системе пива, начиная уже с 62°C, пастеризация изменяет вкус и запах пива.

Известен патент России №2170046, опубликованный 10.07.2001 г. В патенте описан способ стерилизации жидких и пастообразных продуктов питания, включающий повышение давления, выдержку под давлением с насыщением продуктов газом (воздух или смесь воздуха с инертным газом) и последующее быстрое снижение давления ниже атмосферного, причем во время заключительного этапа выдержки под давлением и последующего быстрого снижения давления, стерилизуемые продукты нагревают до температуры не более 100°C.

С точки зрения сохранения биологической ценности продуктов этот способ равнозначен процессу пастеризации, т.к. на заключительном этапе продукты нагреваются в пределах 100°C, а как было показано ранее, пастеризация существенным образом снижает биологическую ценность продуктов и требует энергетических затрат на нагревание.

Известен способ обеззараживания жидких пищевых продуктов, описанный в патенте на изобретение России №2248732, опубликованный 27.03.2005 г., включающий насыщение продукта газом или смесью газов, повышение давления в рабочей емкости, выдержку под давлением и последующий резкий сброс давления, перед насыщением проводят заполнение продуктом всего объема рабочей емкости без образования воздушных пробок, при насыщении продукта газом обеспечивают создание давления от 0,5 до 6 МПа, которое производят плавно, причем выдержку проводят в течение от 1 с до 60 мин при температуре, не влияющей на биологическую ценность продукта, а сброс давления осуществляют до атмосферного за время менее 1 с, обработку проводят при температуре 1°C.

Недостатком данного способа является сложность установки и технологического процесса, требующего соблюдения определенных параметров.

Известно применение стерилизующей фильтрации в пивоварении (Dwyer J.L Filtration in the food, bewerage and pharmaceutical industries, pp. 121-199. In: Filtration: Principle and Practices, Part II (ed. C. Orr), Marcel Dekker, New York, 1979). При этом обычно используют систему, состоящую из глубинного фильтра (типа диатомной земли) и мембранный фильтр с размерами пор 1 мкм.

Недостатком известного способа следует признать частое забивание пор фильтра, низкую скорость фильтрации и неполнота уничтожения микроорганизмов дрожжей, что приводит в последующем к уменьшению срока хранения готового продукта.

Известно (Брок Т. Мембранная фильтрация. М., «Мир», 1987, стр. 175-177) применение фильтров для получения стерильной воды, в том числе и в производстве безалкогольных напитков.

Недостатком известных систем следует признать неспособность фильтрации к полному удалению живых микроорганизмов из жидкости.

Известен способ холодной пастеризации пива, описанный в патенте России №2178461, опубликованном 20.01.2001 г. Способ может быть использован в производстве пива, кваса, браги и других напитков, получаемых сбраживанием и образующих при фильтровании осадки, в состав которых входят живые и мертвые дрожжи и бетаглюканы (хлебные гумми), образующие вместе с полифенолами и полипептидами сложные пространственные структуры, заполненные водно-спиртовым раствором. В качестве фильтрующей перегородки используется металлокерамическая мембрана с рабочим слоем из двуокиси титана и размером пор от 0,2 до 0,9 мкм. При перепаде давления 0,08-0,1 МПа на поверхности мембраны образуется гель-слой, основу которого составляют ассоциированные бетаглюканы. Этот слой задерживает в себе клетки дрожжей и их зародыши размером 0,2 мкм. При этом рабочий слой мембраны может иметь средний размер пор 0,9 мкм, что в несколько раз превышает размеры задерживаемых дрожжевых клеток. По мере увеличения толщины гель-слоя и снижения его проницаемости удельная производительность падает, например, от 1200 л/м²·ч до минимально установленного уровня 200 л/м²·ч, после чего процесс останавливают и промывают мембрану обратным током фильтрата. Удельная производительность в основном зависит от свойств фильтруемого пива. В процессе используют "вечные" легко регенерируемые металлокерамические мембраны, что ведет к уменьшению числа ступеней основного фильтрования и снижению расходов на пастеризацию.

Недостатком этого способа холодной пастеризации является сложность многоступенчатого процесса, высокая стоимость оборудования, большой расход фильтрующих материалов и большое количество отходов. К этому следует добавить продолжительность процесса, что увеличивает риск окисления пива и уменьшение количества связанной углекислоты из-за многократного перекачивания насосами.

Известны другие способы обработки жидких пищевых продуктов с целью обеззараживания. Это обработка различными видами облучений - ультразвуковыми, ультрафиолетовыми, электромагнитным, обработка давлением и кислородом. Однако все эти способы не в меньшей степени, чем тепловая обработка, ухудшают биологическую ценность жидких пищевых продуктов.

Происходит это главным образом потому, что перечисленные способы воздействуют не только на микроорганизмы, но и на сложные молекулярно-биологические структуры жидких пищевых продуктов.

Применение ультрафиолетового излучения (УФИ) для целей нетепловой стерилизации, бактерицидной обработки, например, молока, вина, пива, соков, проведения фотолиза известно уже около 100 лет. Поскольку УФИ имеет сильное поглощение в средах, а эффективность обработки зависит от дозы поглощенного излучения, то обработку проводят в тонких слоях, при этом оптимизируют параметры излучения. Для возможного уменьшения перегрева и повышения однородности обработки слои жидкости перемешивают.

Известен стерилизующий фильтр очитки жидких сред в пивобезалкогольной промышленности, описанный в патенте на полезную модель России №50220, опубликованном 27.12.2005 г., содержащий источник УФ-излучения, помещенный в проточную камеру, снабженную штуцерами подвода и отвода очищаемой жидкости, причем промежуток между стенами проточной камеры и источником УФ-излучения заполнен оптически прозрачными для УФ-излучения фильтровальными волокнами. В качестве фильтровальных волокон могут быть использованы стекловолокно, катионообменное волокно типа МИОН К-5, арамидные волокна или полихлорвиниловые волокна. На входе отводного штуцера может быть дополнительно установлен мембранный фильтр для удерживания фильтровальных волокон, находящихся в объеме проточной камеры.

Недостатком данного устройства является то, что в процессе обработки УФ-излучением жидкость нагревается, так как не предусмотрено ее перемешивание, что снижает биологическую ценность продуктов.

Для возможного уменьшения перегрева и повышения однородности обработки УФ-излучением слои жидкости перемешивают или пропускают в потоке.

Известно устройство для ультрафиолетовой обработки жидкости в потоке, описанное в патенте на изобретение России №2323161, опубликованном 27.04.2008 г., включающее корпус проточной цилиндрической камеры с подводящими и отводящими патрубками и крышкой, по меньшей мере один образующий стенку камеры прозрачный для излучения цилиндрический элемент и протяженный источник ультрафиолетового излучения.

Устройство обеспечивает гарантированный зазор на всей длине протяженного УФИ источника при эффективном перемешивании среды, но очень сложно в изготовлении, так как отличается тем, что корпус проточной камеры и цилиндрический элемент выполнены секционированными в осевом направлении с образованием гарантированного зазора в диаметральной плоскости, установлены коаксиально во фланцах и крышке, имеющих кольцевые проточки и уплотнения, при этом во внутренней стенке концевых частей секций корпуса и/или в наружной стенке цилиндрического элемента выполнены коллекторы в виде кольцевых выточек, сообщенные с подводящими и отводящими патрубками, протяженный источник ультрафиолетового излучения образован совокупностью цилиндрических ламп, размещенных в полости цилиндрического элемента в сквозных отверстиях фланцев и крышки, а внутренняя поверхность корпуса выполнена отражающей ультрафиолетовое излучение.

Известны способы обеззараживания жидких сред, основанные на создании потока жидкости с последующим воздействием на него электромагнитным излучением.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является способ обеззараживания жидкости (в частности, пива), описанный в патенте на изобретение России №2286175, опубликованном 27.10.2006 г., включающий создание потока (объема) из обеззараживаемой жидкости и последующее воздействие на созданный поток (объем) электромагнитным излучением, отличающийся тем, что поток (объем) из обеззараживаемой жидкости создают кольцевым и сплошным в поперечном сечении, формируют узконаправленный пучок непрерывного лазерного излучения, а воздействие электромагнитным излучением на созданный поток (объем) осуществляют путем кругового сканирования потока (объема) сформированным пучком лазерного излучения наклонно к направлению движения потока (объема) и при многократном переотражении пучка лазерного излучения внутри потока (объема).

Недостатком этого способа обеззараживания жидкости (в частности, пива) является сложность многоступенчатого процесса, включающего электромагнитное и лазерное излучение и высокая стоимость оборудования.

Техническая задача, решаемая посредством предлагаемого способа, состоит в разработке эффективного способа обеззараживания жидкостей в производстве пивобезалкогольной продукции.

Технический результат, получаемый при реализации предложенного способа, состоит в полном удалении болезнетворной бактериальной среды, а также в упрощении осуществления и обслуживания данного способа.

Технический результат достигается тем, что в способе обеззараживания пива, включающем размещение 1000 л пива в сборнике пива с углеграфитовыми пластинами и выдерживание в нем пива 4 часа, поддерживая давление не ниже 0,05 МПа, температуру 0-0,5°C, под воздействием поляризационного тока самоорганизации углеграфитовых пластин величиной 10 нА, размещенных по всему объему сборника, высотой 1500 мм, толщиной 2-3 мм с расстоянием между пластинами 50 мм.

За счет того, что объем пива 1000 л помещают в сборник пива с углеграфитовыми пластинами и выдерживают в нем 4 часа, поддерживая давление не ниже 0,05 Мпа, температуру 0-0,5°C, под воздействием поляризационного тока самоорганизации углеграфитовых пластин величиной 10 нА, размещенных по всему объему сборника, высотой 1500 мм, толщиной 2-3 мм с расстоянием между пластинами 50 мм, пиво обеззараживается за счет полного удаления болезнетворной бактериальной среды.

Заявляемое изобретение не известно из уровня техники, данное решение обладает новизной.

Учитывая вышеизложенное, можно сделать вывод, что предлагаемый способ явным образом не следует из уровня техники и вся совокупность существенных признаков проявляет новое свойство, позволяющее достичь указанного технического результата, то есть изобретение соответствует критерию охраноспособности - «изобретательский уровень».

Заявляемое изобретение соответствует критерию «промышленная применимость», так как найдет широкое применение в пищевой промышленности. Сущность изобретения заключается в следующем.

Изобретение поясняется чертежами:

фиг. 1 - технологическая схема обеззараживания пива;

фиг. 2 - общий вид сборника пива с углеграфитовыми пластинами;

фиг. 3 - сборник пива с углеграфитовыми пластинами в разрезе, вид сверху.

Заявляемый способ обеззараживания пива осуществляется с помощью технологической схемы, представленной на фиг. 1.

Исследования проводились на минипивоварне города N. Анализы проводились в химической лаборатории Санэпидемстанции, с кишечной палочкой работали в Санэпидемстанции по стандартным методикам бактериологических исследований.

Наличие таких микроорганизмов в пиве, как Escherichia coli при незначительном количестве не вызывает порчу пива, однако говорит об использовании недостаточно чистой воды для производства, антисанитарии и не допускается в пиве.

На производстве обеззараживание пива осуществляли следующим образом.

Основные этапы производства пива представлены на Фиг. 1. Аппарат 1 для растирание солода и воды, аппарат 2 для варки сусла, аппарат 3 для охлаждения сусла, аппарат 4 для смешивания сусла с дрожжами, здесь же происходит брожение и созревание пива, аппарат 5 для фильтрования пива, сборник 6 пива с углеграфитовыми пластинами 7 (электродами), со сборника 6 пиво поступает на розлив. На обычном производстве пиво поступает в сборник на фиг. 1, не показан, где какое-то время стабилизируется в свободном объеме, после чего поступает на розлив.

Сборник 6 служит одновременно мерником и емкостью (установкой) для обеззараживания пива.

Размеры сборника 6: высота 1,5 м, радиус основания 0,4 м. Объем производства 1000 л/сут. Пространство сборника 6 пронизано плоскими углеграфитовыми пластинами 7 по всему объему (высотой 1,5 м, толщиной 2-3 мм с расстоянием между пластинами 7-5 см).

Пиво подавали в сборник 6, постоянно поддерживая в нем давление не ниже 0,05 МПа. Температура 0-0,5°C. Пиво выдерживалось в нем 4 часа (по технологическому процессу) с воздействием нанокластерных самопроизвольных токовых выплесков коллоидных частиц в пиве и обеззараживалось.

В таблице 3 приведены результаты испытаний годности пива после фильтрования и после сборника 6.

Анализируя таблицу 3, можно сказать, что токовое воздействие действует только на болезнетворные бактерии Escherichia coli (кишечная палочка), не оказывая действия на остальные показатели пива, не изменяет его качества по технологии в общем, но улучшает по отсутствию таких микроорганизмов в пиве, как Escherichia coli.

Механизм возникновения и применения токовых выплесков в пиве заключается в следующем.

В пиве физико-химические основы воздействия нанотоков на процессы при производстве заключаются в следующем. В пиве, как коллоидной среде, сочетающей в себе не только растворенные химические вещества, но и бактериальные культуры, имеющие собственные циклы жизнедеятельности, наблюдаются выплески токов при помещении пива в систему, содержащую электрическую цепь.

Пиво - среда, основу которой составляет вода с растворенными химическими веществами взвешенной бактериальной культурой. Исходя из этого можно предположить, что многочисленные короткоживущие водородные связи между соседними атомами водорода и кислорода в молекуле воды создают благоприятные возможности для образования особых структур-ассоциатов (кластеров).

Эти кластеры могут объединяться друг с другом и со "свободными" молекулами воды за счет водородных связей на их поверхности. Даже частично ковалентный характер водородной связи "разрешает", по меньшей мере, 10% молекул воды объединяться в достаточно долгоживущие полимеры. В их основе лежит тетраэдр. Именно такую форму имеют распределенные положительные и отрицательные заряды в молекуле воды. Группируясь, тетраэдры молекул H₂O образуют разнообразные пространственные и плоскостные структуры. Сталкиваясь друг с другом, полимеры переходят один в другой, разлагаются и вновь образуются.

Объединяясь друг с другом, кластеры могут образовывать более сложные структуры.

Чаще всего в водном растворе присутствуют сольваты и , хотя встречаются и ; и ; и ; и , и т.д

Кластеры воды, имеющие заряженные отростки, подходят к электродам, тем самым заряжая его. Электрод, в свою очередь начинает притягивать бактерии. Учитывая, что по своей величине бактерии соответствуют коллоидным частицам и входят в состав более крупных образований, сорбируясь на частицах и агрегатах, для их удаления приемлемы адгезия, адсорбция, коагуляция.

Устойчивость частиц во многом зависит и от электрического заряда, который обуславливает целый ряд свойств микроорганизмов, например их подвижность, устойчивость биосуспензии. Существует аналогия между электрическим зарядом белковых молекул и бактериальных клеток. Бактериальная клетка ведет себя как амфотерный элетролит благодаря большому количеству аминокислот, входящих в состав ее бактериального белка. Поэтому диссоциация определенных групп в белковой структуре позволяет каждой белковой частице проявить себя в качестве кислоты и в качестве основания.

Микромолекулы, расположенные на поверхности клеточной стенки (или капсулы) микроорганизма, содержат заряженные группы, в результате чего этот организм имеет поверхностный заряд. Поверхность большинства микробных клеток заряжена отрицательно, так как среди клеточных компонентов, образующих эту поверхность, присутствуют соединения, изоэлектрическая точка которых лежит в кислой зоне (рН=7). При изменении рН среды значительно изменяется величина электрического заряда.

Электрический заряд бактериальной клетки в водной среде объясняется возникновением двойного электрического слоя. Бактериальная клетка с помощью своих поверхностных ионов притягивает ионы противоположного заряда из среды или сама притягивается к электродам.

Применение данного механизма можно рассмотреть на примере производства стабильного пива. В большинстве стран основным сырьем для производства пива является ячменный солод, который служит благоприятным условием для развития микрофлоры. Результаты испытаний показали, что в пиве как коллоидной среде наблюдаются пульсационные выплески тока, по величине соизмеримые с токами в среде геля.

Происходит образование токовых выплесков (нанокластеров), в результате чего гибнут вредные бактерии (из-за перезарядки своей поверхности) и не образуются микроорганизмы, ухудшающие качество пива.

Результатом эксперимента стало значительное убиение бактерий уже через 4 часа выдержки среды в приборе, что говорит об эффективном действии токов.

Наноток в системе устанавливается самопроизвольно. Силу тока отмечаем в таблице по модулю, так как ток в системе возникает самопроизвольно и идут сильные колебания в системе. Прибор отмечает и положительные значения и отрицательные значения электротока. В таблице 4 приведена зависимость силы электротока от времени воздействия на кишечную палочку при обработке пива.

Анализ таблицы показал, что кишечная палочка (Escherichia coli) очень чувствительна к действующему на нее поляризационному импульсному току, в частности воздействие нанотока 10 нА в течение 4 часов приводит к полному уничтожению кишечной палочки (Escherichia coli).

Происходит образование токовых выплесков (нанокластеров), в результате чего гибнут болезнетворные бактерии из-за перезарядки своей поверхности, ухудшающие качество пива и снижающие его срок реализации.

Заявляемый способ обеззараживания пива осуществляет полное удаление болезнетворной бактериальной среды, упрощается осуществление и обслуживание данного способа, за счет того что объем пива 1000 л помещают в сборник пива с углеграфитовыми пластинами и выдерживают в нем 4 часа, поддерживая давление не ниже 0,05 МПа, температуру 0-0,5°C, под воздействием поляризационного тока самоорганизации углеграфитовых пластин величиной 10 нА, размещенных по всему объему сборника, высотой 1500 мм, толщиной 2-3 мм с расстоянием между пластинами 50 мм.