Формування якості пива з додаванням нетрадиційної рослинної сировини: дис. на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук: 05.18.15 – Товарознавство харчових продуктів

Abstract

Дисертацію присвячено теоретичному й експериментальному виявленню закономірностей комплексного впливу натуральних рослинних ароматичних компонентів із хвої сосни у формі екстракту на формування споживних властивостей крафтового пива. У роботі на основі аналізу патентної та науково-технічної літератури визначено тенденції виробництва пивоварної галузі, окреслено перспективи розвитку крафтового пивоваріння з використанням натуральних рослинних добавок. Наведено характеристику основної сировини для виробництва пива та чинники, які формують смак і аромат готового продукту. З’ясовано, що в умовах існуючого дефіциту хмелепродуктів вітчизняного виробництва одним із способів забезпечення пивоварних компаній якісною сировиною є вибір додаткового компонента, що передбачає можливість часткової заміни хмелю на нетрадиційну рослинну сировину. Визначено, що її додавання до рецептури пива є ефективним напрямом вирішення проблеми збагачення напою БАР та подовження терміну його зберігання. На підставі маркетингових досліджень споживацьких мотивацій і вподобань для виробництва пива рекомендовано використовувати нетрадиційну рослинну сировину, а саме хвою сосни. Досліджено комплекс біологічно активних компонентів висушеної хвої, порівняно з шишками хмелю, як нетрадиційної пряно-ароматичної рослинної сировини за умови її використання для формування якості пива. Установлено, що ароматично-смаковий комплекс біологічно активних компонентів включає ненасичені реакційноактивні речовини, такі як ефірна олія (від 0,5% до 3,8%), низькомолекулярні фенольні сполуки (за хлорогеновою кислотою) (від 3,1% до 4,0%), флавонолові глікозиди (за рутином) (від 1,3% до 2,7%), поліфенольні (дубильні) речовини (від 5,2% до 16,4%), смоли (від 7,0% до 27,3%) та гіркі речовини (від 4,0% до 9,2%). При цьому вміст зазначених БАР (низько- та високомолекулярних фенольних сполук, ефірної олії) у хвої сосни в 1,5–5 разів більше, ніж у хмелі. Доведено доцільність уведення для збагачення крафтового пива БАР натуральної рослинної добавки із хвої сосни у формі водного екстракту для подовження терміну його зберігання. Визначено комплекс БАР у водному екстракті із хвої сосни виготовленому з використанням в якості екстрагента води, з гідромодулем рослинної сировини і води 1:8 та подрібнення хвої до розміру частинок 50–250 мкм. Екстракція здійснювалася за температури 60 °С протягом 30 хв із подальшим настоюванням протягом 8 годин. Уміст сухих речовин в отриманому екстракті – 3,8–3,9%. Виявлено, що екстракт із хвої включає біологічний комплекс, який складається з ароматичних речовин в кількості 8000 мл тіосульфату натрію в 100 мл (число аромату), низькомолекулярних фенольних сполук (за хлорогеновою кислотою) 289,4 мг в 100 мл екстракту, флавонолових глікозидів (за рутином) 194,2 мг в 100 мл екстракту, поліфенольних (дубильних) речовин 237,8 мг в 100 мл екстракту та гірких речовин 12,1 мг в 100 мл екстракту. Методом газової хроматографії вивчено компонентний склад смакоароматичних речовин водного екстракту із хвої сосни, який формує специфічний смак і аромат хвої та пива, виготовленого з його використанням. Установлено, що найбільше в екстракті міститься ефіру лимонену (час утримання 14,866 хв), який формує лимонний аромат. У значній кількості представлені терпени, такі як пінен (час утримання – 14,439 хв), борнеол (час утримання – 11,444 хв) та коніферин (час утримання – 10,882 хв). Борнеол та коніферин мають аромат хвої та деревини. Крім того, виявлено глікозид піцеїн, якийформує гіркий смак (час утримання – 8,477 хв). У результаті дослідження споживацьких переваг сформовано основний профіль смаку нового пива, що сприяло обґрунтованому вибору смакоароматичного компонента та розробці продукту з оригінальними органолептичними властивостями. Сформовано смак, аромат і якість нового крафтового пива «Смарагд» із високим вмістом БАР, які мають антиоксидантні властивості. Методом математичного моделювання та експертної оцінки визначені доза і раціональне співвідношення хмелю та екстракту з висушеної хвої сосни. Доза гранул хмелю становить 135–140 г на декалітр (дал) сусла і вводиться під час кип’ятіння та виготовлення сусла. Екстракт із хвої сосни з масовою часткою сухих речовин 3,8–3,9% у кількості 300–350 мл на дал пива (або в сухих речовинах 35–40 г) уводиться наприкінці стадії головного бродіння пива. Удосконалено бальну систему дегустаційної оцінки, яку розширено за рахунок уведення показника «післясмак». Доведено, що цей показник забезпечить повну оцінку пива «Смарагд», яке може мати післясмак рослинної добавки (хвої), що додають під час його виробництва. Проведено комплексну товарознавчу оцінку розробленого крафтового пива, збагаченого фітокомпонентами із хвої сосни, яке від традиційного (із хмелем), відрізняється високим вмістом натуральних рослинних БАР, таких як низько- та високомолекулярні фенольні сполуки, ароматичні речовини. Установлено, що розроблене крафтове пиво порівняно з традиційним (контроль) містить значно більше рослинних БАР, зокрема низькомолекулярних фенольних сполук в 1,4–1,5 разу (контроль – 90,6 мг/100 мл, «Смарагд» – 133,8 мг/100 мл), поліфенольних (дубильних) речовин – в 1,3–1,4 разу (контроль – 153,9 мг/100 мл, «Смарагд» – 114,3 мг/100 мл). Це дозволило не тільки збільшити біологічну цінність нового пива, але й подовжити термін його зберігання у два рази. Визначено, що вміст токсичних елементів та радіонуклідів у пиві «Смарагд» менше за ГДК. Методом газової хроматографії досліджено компонентний склад летких смакоароматичних речовин пива. Установлено, що пиво «Смарагд» містить бутенову кислоту (0,000087656 мг/100 мл), оцтову кислоту (0,0007033775 мг/100 мл), ізопентанол (0,002270767 мг/100 мл), пентаналь (0,0003148061 мг/100 мл), діетиламін (0,0001840857 мг/100 мл), метиловий ефір (0,000485071 мг/100 мл), етиловий ефір (0,0000120535 мг/100 мл), спирт бутатентрол (0,0000698093 мг/100 мл). Додатково виявлено такі речовини: циклобутиловий спирт (0,0000323096 мг/100 мл), метилбутан (0,0000198783 мг/100 мл), метилгідросульфат (0,000086374 мг/100 мл), бутанову кислоту (0,0000116806 мг/100 мл). Усього в пиві «Смарагд» ідентифіковано 38 смакоароматичних компонентів, у пива-контроль – 32 компоненти, які утворилися внаслідок спиртового бродіння. Для повної оцінки вираженості аромату розробленого пива визначено число аромату. Загальний вміст речовин, що зумовлюють аромат нового пива, в 1,5–1,6 разів вищий, ніж у традиційному (контроль – 2170 мл Na2S2O3/100 мл, «Смарагд» – 3361 мл Na2S2O3/100 мл). Розраховано комплексний показник якості пива. Для пива «Смарагд» його значення становить 0,98, для контролю – 0,80, що відповідає оцінці «дуже добре». Досліджено основний хімічний склад пива. Розроблене пиво «Смарагд» містить мінеральні сполуки, органічні кислоти, вітаміни групи В, аскорбінову, нікотинову кислоти. Уміст гірких речовин у розробленому пиві становить 2,9 мг/100 мл, у контролі – 3,1 мг/100 мл, вміст етилового спирту – 3,0 г/100 мл та 2,9 г/100 мл відповідно і майже однакову гіркоту в разі заміни хмелю на хвою сосни в кількості 20%. Уміст аскорбінової кислоти в пиві «Смарагд» становить 3,5 мг/100 мл. За результатами дослідження зміни показників якості пива під час зберігання визначено, що розроблене крафтове пиво порівняно з традиційним має меншу динаміку втрати кислотності у два рази, показника гіркоти – у 2,5 разу, танінового показника – у 2,1 разу. Аналітичний показник вмісту поліфенольних (дубильних) речовин пива «Смарагд» зменшився у 1,6 разу, низькомолекулярних фенольних сполук (за хлорогеновою кислотою) – у 2,0 разу, флавонолових глікозидів (за рутином) – у 2,0–2,2 разу. Кількість органічних кислот збільшилася в контролі у 2,0 рази більше, порівняно з розробленим зразком. Уміст аскорбінової кислоти в пиві «Смарагд» під час зберігання зменшився на 50%. Уповільнення процесів окиснення та збільшення колоїдної стійкості зумовлені БАР натуральної рослинної добавки із хвої сосни у вигляді екстракту, що дозволило не тільки збільшити біологічну цінність нового пива, але й подовжити термін його зберігання у два рази. Термін зберігання контрольного пива на шишках хмелю складає 5 діб, а з частковою його заміною на екстракт із хвої – 10–11 діб. У ході досліджень із вивчення підгострої токсичності на біологічних об’єктах доведено зменшення негативного впливу пива «Смарагд». Новий продукт зменшує негативний вплив завдяки вмісту в ньому натуральної рослинної сировини з антиоксидантними властивостями, що в першу чергу нормалізує масовий коефіцієнт (МК) печінки тварин, який максимально наближений до коефіцієнта інтактних тварин (збільшення МК у самців на 4%, у самиць – на 1%). Збільшувався МК нирок у разі введення пиваконтроль (у самців на 5,8%, у самиць – 7,7%). Гістологічною оцінкою підтверджено, що паренхіма печінки тварин, яким уводили пиво «Смарагд», найбільш наближена до паренхіми печінки інтактних тварин. Доведено, що пиво «Смарагд» має антиоксидантний потенціал і здатне захищати печінку від негативного впливу алкоголю у своєму складі у звичайних умовах (більші значення антиоксидантних маркерів: ВГ – на 3,0%, АК – на 32,8%; менші прооксидантних: ДК – на 4,1%, ТБК-реактантів – на 30,7% порівняно з групою тварин, які отримували пиво-контроль). Установлено, що результати біохімічних досліджень показників, отриманих із гомогенату печінки тварин, які вживали пиво «Смарагд», на моделі оксидативного стресу відрізнялися від показників тварин, які вживали пиво-контроль: більші значення антиоксидантних маркерів: ВГ – на 19,6%, АК – на 9,5%; менші прооксидантних: ДК – на 10,3%, ТБК-реактантів – на 9,5%, що свідчить про антиоксидантний потенціал розробленого пива. Розроблено та затверджено в установленому порядку ТІ на нове пиво «Смарагд» із натуральною біологічно активною добавкою із нетрадиційної рослинної сировини (екстракту із хвої сосни). Визначено економічний ефект від упровадження, який полягає у збільшенні обсягу реалізації продукції (39,26 грн на дал), її рентабельності (3,14%), зростанні прибутку реалізованої продукції (5,99 грн на дал). Доведено, що соціальний ефект полягає в економії грошових коштів (4,12 грн на л), підвищенні якості (26,2%), зменшенні токсичного впливу (13,7%) та розширенні асортименту пива. Розраховано інтегральний показник якості розробленого напою, який становить 1,14. Рекомендована відпускна ціна нового продукту за 1 л – 61,66 грн. Розроблено дизайн етикетки пива «Смарагд». Проведено апробацію технології у виробничих умовах та вироблено дослідні партії нового продукту.

The thesis is devoted to the theoretical and experimental identification of patterns of the complex effect of natural plant aromatic components from pine needles in the form of an extract on the formation of consumer properties of craft beer. Based on the analysis of patent and scientific literature, the work identifies trends in the production of the brewing industry, outlines prospects for the development of craft brewing using natural herbal supplements. The characteristic of the main raw material for the production of beer and the factors that shape the taste and aroma of the finished product are given. It is established that under the conditions of the existing shortage of home-made hops, one of the ways to provide brewing companies with high-quality raw materials is the selection of an additional component that provides for the possibility of partial replacement of hops with non-traditional plant raw materials. It is determined that adding it to the beer recipe is an effective way to solve the problem of enriching the beverage by the bioactive supplements and extending its shelf life. Based on marketing research of consumer motivations and preferences for the production of beer, it is recommended to use non-traditional plant materials, namely pine needles. The complex of biologically active components of dried needles is investigated, as compared with hop cones, as an unconventional aromatic plant material, provided it was used to form beer quality. It is established that aromatictaste complex of biologically active components includes unsaturated reactive substances, such as essential oil (from 0.5% to 3.8%), low molecular weight phenolic compounds (for chlorogenic acid) (from 3.1% to 4.0%), flavonols glycosides(for rutin) (from 1.3% to 2.7%), polyphenolic (tanning) substances (from 5.2% to 16.4%), resins (from 7.0% to 27.3%) and bitter substances (from 4.0% to 9.2%). The content of these bioactive supplements (low and high molecular weight phenolic compounds, essential oil) in pine needles is 1.5–5 times more than in hops. The expediency of the introduction of a natural herbal supplement from pine needles in the form of an extract to prolong its shelf life for enriching craft beer by bioactive supplements is proven. The complex of bioactive supplements in an aqueous extract of pine needles made using water, from a hydromodule of vegetable raw materials and water 1:8, grinding needles with a particle size of 50–250 microns and maintained at a temperature of 60 °C for 30 minutes is determined followed by insisting for 8: hours. The dry matter content of the obtained extract is 3.8–3.9%. It is revealed that the extract from the needles includes a biological complex, which consists of aromatic substances (by the number of aroma) in the amount of 8000 ml of sodium thiosulfate in 100 ml, low molecular weight phenolic compounds (for chlorogenic acid) 289.4 mg in 100 ml of extract, flavonol glycosides (rutin) 194.2 mg in 100 ml of extract, polyphenolic (tannic) substances 237.8 mg in 100 ml of extract and bitter substances 12.1 mg in 100 ml of extract. The method of gas chromatography is used to study the composition of flavoring substances from pine needles plant extract, which forms the specific taste and aroma of needles and beer made with its use. It is established that most of the extract contains limonene ether (retention time – 14.866 min), which forms a lemon aroma, also terpenes, such as pinene (retention time – 14.439 min), borneol (retention time – 11.444 min) and coniferin (retention time – 10.882 min). Borneol and coniferin have the scent of pine needles and wood. In addition, picein glycoside (retention time – 8.477 min), which forms a bitter taste, is detected. As a result of the study of consumer preferences, the main taste profile of the new beer is formed that has contributed to the informed choice of the flavor component and the development of a product with original organoleptic properties. The taste, aroma and quality of the new craft beer "Emerald" with a high content of bioactive supplements with antioxidant properties are formed. Using the method of mathematical modeling and expert evaluation, the dose and rational ratio of hops and extract from dried pine needles are determined. The dose of hop granules is 135–140 g decalitres (dal) of the wort and is introduced at the boil and the wort is made. Pine needles extract with a dry substances mass fraction of 3.8–3.9% in an amount of 300–350 ml of beer dal (or in dry substances 35–40 g) is introduced at the end of the main beer fermentation stage. The tasting point scoring system is improved, expanded by the introduction of the “aftertaste” indicator. It is proved that this indicator will provide a complete assessment of the "Emerald" beer, which may have an aftertaste of herbal supplements (needles), giving during its production. A comprehensive commodity assessment is provided for developed craft beer, enriched with phytocomponents from pine needles, which is from the traditional (with hops), it has a high content of natural plant biologically active substances, such as low and high molecular weight phenolic compounds, aromatic substances. It is established that the developed craft beer compared with the traditional (control) contains significantly more plant-based bioactive supplements, in particular, low molecular weight phenolic compounds in 1.4–1.5 times (control – 90.6 mg/100 ml, "Emerald" – 133.8 mg/100 ml), polyphenolic (tanning) substances – 1.3–1.4 times (control – 153.9 mg/100 ml, "Emerald" – 114.3 mg/100 ml). This allows not only to increase the biological value of the new beer, but also to extend its shelf life by half. It is determined that the content of toxic elements and radionuclides in beer "Emerald" is less than the maximum permissible concentration. The composition of the volatile flavoring substances of beer is investigated by gas chromatography. It is established that the beer "Emerald" contains butene acid (0,000087656 mg/100 ml), acetic acid (0.0007033775 mg/100 ml), isopentanol (0.002270767 mg/100 ml), pentanal (0.0003148061 mg/100 ml), diethylamine (0.0001840857 mg/100 ml), methyl ether (0.000485071 mg/100 ml), ethyl ether (0.0000120535 mg/100 ml), tetraalcohol (0.0000698093 mg/100 ml). Additionally, the following substances are identified: cyclobutyl alcohol (0.0000323096 mg/100 ml), methyl butane (0.0000198783 mg/100 ml), methyl hydrogen sulfate (0.000086374 mg/100 ml), butanoic acid (0,0000116806 mg/100 ml). In total, 38 flavoring components is identified in the Emerald beer, the beer control has 32 components that are formed as a result of fermentation. For a full assessment of the severity of aroma in developed beer the number of aroma is determined. The total content of substances responsible for the aroma of the new beer is 1.5–1.6 times more than in the traditional (control – 2170 ml Na2S2O3/100 ml, "Emerald" – 3361 ml Na2S2O3/100 ml). The complex indicator of beer quality is calculated. Its value for beer "Emerald" is 0.98, for control – 0.80, which corresponds to the estimate "very good". The basic chemical composition of beer is investigated. Developed beer "Emerald" contains mineral compounds, organic acids, vitamins of group B, ascorbic, nicotinic acids. The content of bitter substances in the developed beer is 2.9 mg/100 ml, in the control – 3.1 mg/100 ml, the ethanol content – 3.0 g/100 ml and 2.9 g/100 ml, respectively, and almost the same bitterness in case of replacement of hops with pine needles in the amount of 20%. The content of ascorbic acid in beer "Emerald" is 3.5 mg/100 ml. According to the results of the study of changes in the quality of beer during storage, it is determined that the developed craft beer, compared to the traditional one, has less than two times less acid loss, bitterness – in 2.5 times, tannin index – 2.1 times. The analytical indicator of the content of polyphenolic (tannic) substances of the beer "Emerald" decreased by 1.6 times, low molecular weight phenolic compounds (chlorogenic acid) – in 2.0 times, flavonol glycosides (rutin) – 2.0–2.2 times. The amount of organic acids increased in control by 2 times as compared with the developed sample. The content of ascorbic acid in beer "Emerald" during storage decreases by 50%. The slowing down of oxidation processes and the increase in colloidal resistance caused by the bioactive supplements from pine needles in the form of an extract, which makes it possible not only to increase the biological value of the new beer, but also to extend its shelf life by two times. The shelf life of the control beer on hop cones is 5 days, and with its partial replacement by needles extract – 10–11 days. In the course of research on the study of subacute toxicity at biological objects, a reduction in the negative impact of beer Emerald is proven. The new product reduces the negative impact due to the content of natural plant materials with antioxidant properties in it, first of all normalizes the mass coefficient of animal liver, which is as close as possible to the ratio of intact animals (increase of MC in males by 4%, in females – 1%). Kidney mass coefficient increased in the case of the introduction of beer-control (in males by 5.8%, in females – 7.7%). It is confirmed by histological assessment that the liver parenchyma of animals that are injected with beer "Emerald" is closest to the liver parenchyma of intact animals. It is proven that beer Emerald has an antioxidant potential and is able to protect the liver from the negative effects of alcohol in its composition under normal conditions (high values of antioxidant markers: restored glutathione – by 3.0%, catalase activity – by 32.8%; smaller pro-oxidant: diene conjugates – by 4.1%, thiobarbiturum reactants – by 30.7% compared with the group of animals that received beer control). It is established that the results of biochemical studies of indicators derived from the liver homogenate of animals that consumed beer "Emerald" on the model of oxidative stress differed from those of animals who used beer control: large values of antioxidant markers: restored glutathione – by 19.6%, catalase activity – by 9.5%; smaller pro-oxidant: diene conjugates – by 10.3%, thiobarbiturum reactants – by 9.5%, which indicates the antioxidant potential of the developed beer. The technology instruction is developed and approved in the established manner for the new beer "Emerald" with a natural dietary supplement from nontraditional plant materials (pine needles extract). The economic effect of the implementation, which is to increase the volume of sales of products (39.26 UAH per dal), its profitability (3.14%), profit growth of sold products (5.99 UAH per dal) is determined. It is proved that the social effect is to save money (4.12 UAH per liter), improve the quality (26.2%), reduce the toxic effect (13.7%) and expand the range of beer. The integrated indicator of the quality of the developed drink is calculated, which is 1.14. The recommended selling price of a new product for 1 liter – 61.66 UAH. The design of the label of beer "Emerald" is developed. The technology is tested under production conditions and experimental batches of the new product is produced.