Окиснювальне старіння пива та його стабілізація

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ХІМІЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ        МАГІСТЕРСЬКА РОБОТА
на тему: Окиснювальне старінняпива та його стабілізація
Магістр: Левада Юрий ПетровичСпеціальність: 8.07301 “Хімія”
Керівник: к.х.н., доцент
Юраева Тетяна АнатоліївнаДонецьк-2005

ЗмістВступ
1. Теоретичначастина
1.1 Фізико-хімічнахарактеристика пива
1.2Процеси окиснювального старіння пива та методи їх гальмування
1.2.1Неферментативні процеси окиснення
1.2.2Ферментативне окиснення
2. Експериментальначастина
2.1Газоволюмометричний метод
2.2Хемілюмінесцентний метод
2.3Техніка безпеки
3. Окиснювальнестаріння пива та його стабілізація
ВисновкиЛітература

Вступ
Серед багатьох хімічних процесів, що ведуть допогіршення якості харчових продуктів, чи не найголовніше місце посідаютьокиснювальні процеси. Пиво у цьому відношенні є дуже вразливим, оскільки навітьнезначний перебіг окиснювальних процесів у ньому призводить до суттєвогопогіршення органолептичних якостей напою, які, як відомо, є найголовнішимикритеріями якості для споживача. Такі процеси прийнято називати окиснювальним“старінням” чи органолептичним “старінням”[1].
Дуже важливим є те, що процеси окиснювального старінняне починаються лише при зберіганні напою. Вони супроводжують напій під часвсієї технологічної схеми його виготовлення [1–3]. Наслідком перебігу такихпроцесів є накопичення у пиві великого спектру речовин, що негативно впливаютьна смак та аромат напою. Але найбільш небезпечними є карбонільні сполуки, що іотримали відповідну назву – “карбоніли старіння”. В наслідок низькогопорігового значення смаку та аромату ці речовини є особливо небезпечними [4].
Існує багато наукових робіт, що присвячені питаннюокиснювального старіння пива. Всі автори приходили до висновку, що ці процеси єнеминучими і єдине, що можна зробити, – вплинути на швидкість їх перебігу,тобто підвищити антиокиснювальну стійкість напою [4–6]. Було встановлено, щотакі процеси йдуть за радикально-ланцюговим механізмом. Не дивлячись на такіуспіхи, питання окиснювального старіння пива є й досі невирішеним.
Метою даної роботи стало вивчення процесівокиснювального старіння пива та перевірка можливості його стабілізації, ззастосуванням для цього газоволюмометричного та хемілюмінесцентного методівдослідження.

1. Теоретична частина
1.1 Фізико-хімічнахарактеристика пива
 
Для осягненнявсієї сукупності складних фізико-хімічних перетворень, які перебігають у пивіслід ознайомитись з хімічним складом цього природного об’єкту. Пиво має дужескладний хімічний склад. У залежності від сорту пива, технології йоговиготовлення та використаної сировини змінюється його кількісний та якіснийсклад. Для більшої зручності прийнято розділяти всі компоненти пива на головніта мінорні.
Головними компонентами пива є вода (91 – 93%),вуглеводи (1,5 – 4,5%), етиловий спирт (3,4 – 4,5%) та азотвмісні сполуки, якіпредставлені, головним чином, амінокислотами та поліпептидами (0,2 – 0,65%).Переважна кількість вуглеводів пива (75 – 85%) складається з декстринів. Напрості сахара (глюкоза, фруктоза, сахароза) припадає 10 – 15% від загальноїкількості вуглеводів. І тільки 2 – 3% вуглеводів представлені складнимисахарами (полісахариди та ін.). Пиво містить незначну кількість вищих спиртів(50 – 100мг/л), метиловий спирт практично відсутній .
Мінорними компонентами пива є мінеральні речовини,вітаміни, органічні кислоти, фенольні сполуки, гірки речовини, ароматичніречовини, біогенні аміни, естрогени.
У біологічно значимій кількості у пиві присутні іоникалію, кальцію, магнію, фосфору, сірки, хлору. Також присутні іони заліза,міді, цинку та іони інших металів. У пиві багато вітамінів групи В, а саме В1,В2. Також присутній вітамін С, який іноді штучно додають до напоюдля запобігання процесів окиснення інших компонентів. Майже всі вітаміниприсутні у пиві у фосфорельованій формі. Органічні кислоти представлені у пивіголовним чином лимонною, піровиноградною, оцтовою, глюконовою, щавлевоюкислотами. Цим і пояснюється те, що рН свіжого пива знаходиться у кислійобласті (рН = 5,1 – 5,4).
Загальний вміст фенольних сполук коливається в межах150 – 300мг/л. Більш за все у пиві міститься антоцианидинів (лейкоцианидини,протоцианидини, лейкоантоцианидини). Всі гіркі речовини пива поділяють на мало-та високосмолисті. Малосмолисті речовини складаються з α – кислот(гумулони), β – кислот (лупулини) та інших сполук, які ще неідентифіковані. На сьогодні ідентифіковано близько 70 компонентів, віднесенихдо класу ароматичних сполук пива. Всі ароматичні речовини поділяють навідновнену та окиснену фракції. Відновнена фракція включає у себе монотерпени(міріцен) і сескьютерпени (β-каріофілін, гумулін, фарнісин та ін.).Окиснена фракція складається з терпенових спиртів (ліналуол, гераніол), іншихспиртів, альдегідів, кетонів, ефірів та їх похідних. З біогенних амінів у пивібули ідентифіковані кадаверин, путресцин, гістамін, тирамін. Естрогени є речовинами, що створюють чіткий гормональний вплив на людину. У пиві таких речовин не такбагато.
Вмістголовних та деяких мінорних компонентів пива можна виразити у вигляді таблиці(табл.1.1; 1.2).
Таблиця 1.1 – Вміст головних компонентів пива Компонент Вміст (мг/л) 1 Вода 91-93% 2 Глюкоза, сахароза, фруктоза 2,6-2,9 г/л 3 Полісахариди та фрагменти пектина 0,52-2,08 г/л 4 Етиловий спирт 30 г/л 5 Вищі спирти 50-100 мг/л
Таблиця 1.2 – Вміст деяких мінорних компонентів пиваКлас речовин Вміст (мг/л) Мінеральні речовини 1 К 160-450 2 Na 120 3 Ca, Mg 80 4 P 140 5 Fe, Cu, Zn не перевищує 1 Вітаміни 1 В1 0,005-0,15 2 В2 0,3-1,3 3 С 20-50 4 Нікотинова кислота 5-20 5 Фолієва кислота 110 6 В6, Пантотенова кислота 0,4-1,7 7 Біотин 5 Органічні кислоти 1 Лимонна кислота 130 2 Піровиноградна кислота 60 3 Оцтова кислота 90 4 Глюконова кислота 30 5 Щавлева кислота 15 Фенольні сполуки 1 Антоцианідини 14-77 2
Еллагікова, протокатехінова, ванілінова, саліцилова,
п-оксібензойна кислоти не перевищує 1 3 Фенол, ортокрезол, кумарини не перевищує 1 4 Катехіни 5-55 5 Епікатехіни 9-24 6 Рутин 1-6 7 Кверцетин 5-125 8 Хлорогенова кислота, Кофейна кислота 2-20 9 Кверцетрин, Мирицитрин 1 10 Куінова кислота 1-5 11 Ферулова кислота 2-21 12 Синапиковая кислота 1-20 13 Камферол 5-20 14 Галова кислота 5-29 Біогенні аміни 1 Кадаверин, Путресцин, Гістамін, Тирамін 1-3
Оскільки сусло є попередником пива і окиснювальніпроцеси здатні зароджуватися вже у суслі, варто роздивитись хімічний склад іцього субстрату. Сусло практично не відрізняться від пива за якісним складом.Але кількісні склади цих субстратів сильно різняться між собою за вмістомголовних та деяких мінорних компонентів пива (вуглеводи, етиловий спирт,азотвмісні сполуки, органічні кислоти та ін.). У порівнянні із пивом сусломістить значно більше сахарів, амінокислот, поліпептидів, органічних кислот,речовин ліпідної природи. Проте в суслі практично відсутні етиловий спирт, диацетилта інші продукти бродіння. Цією відмінністю і пояснюється різне відношення цихсубстратів до окиснювальних процесів (у сусла дуже низька антиокиснювальнастабільність порівняно з пивом).
 
1.2 Процеси окиснювальногостаріння пива та методи їх гальмування
Існує великий об’єм емпіричних та теоретичних знаньщодо процесів старіння пива. Найбільш добре відомий негативний вплив, щостворює кисень протягом усієї технології виготовлення напою. Відповідальністьза смак, що виникає у пива при його старінні, беруть на себе, у першу чергу,карбонільні сполуки, які у невеликих концентраціях сильно впливають і нааромат. При цьому кисень може додатково вплинути на утворення смаку, що виникаєпри старінні пива в результаті [7]:
─ утворення важливих, з точки зору старінняречовин, що впливають на аромат пива;
─ утворення речовин -“попередників” цих речовин;
─ зменшення вмісту антиоксидантів, в результатічого пізніше кисень може призвести до протікання окиснювальних реакцій.
До реакцій старіння пива можна віднести багатопроцесів окиснювальної природи. Проте головний внесок у формування смаку тааромату старого пива роблять процеси окиснення вищих спиртів, окиснювальнийрозпад ізогумулонів, реакція Майяра та розпад Штреккера, автоокиснення жирнихкислот, ферментативний розпад жирних кислот, фотоокиснення жирних кислот,вторинне автоокиснення альдегідів та інші процеси. Умовно ці процеси можнаподілити на процеси ферментативного та неферментативного окиснення. Великачастина з перелічених вище реакцій ідуть за участю вільних радикалів, утворенняяких підсилюється під впливом кисню і відбувається, у першу чергу, в результатікаталітичних реакцій, що викликаються іонами заліза та міді [4].
На даний момент існує багато методів підвищенняантиокиснювальної здатності пива. Одним із хімічних методів є введенняантиоксидантів та рослинних екстрактів, що містять такі речовини. Для цьоговикористовують сполуки – солі сірчистої та тіосірчистої кислот, а такожα-аскорбінову та ізоаскорбінову кислоти та їх солі [3,7]. Але використанняаскорбінової кислоти, що активно рекламується, як вже встановлено, призводитьдо утворення дигідроаскорбінової кислоти, присутність якої у пиві у високихкількостях небажано через негативний вплив на якість напою. У той же часвикористання у пивоварінні відновлюючих речовин на основі сірки у великихкількостях також небажано через помітне погіршення смаку при зберіганні пива[3]. Широко пропонується використання сбалансованої суміші сполук сірки зерітроборатом натрію [3].
На даний момент часу проведено багато робіт повивченню АОА рослинних екстрактів. При вивченні АОА екстракту деревини дуба,який використовується для виробництва вина, встановлено, що цей екстрактвиявляє високу АОА у суспензіях клітин крові людини. За виявленим ефектомдубовий екстракт суттєво переважає деякі антиоксидантні біологічно активнідобавки [8]. Варто підкреслити, що вивчений екстракт, пригноблюючи утворенняактивних форм кисню, запобігає цитотоксичним ефектам вільнорадикальногоокиснення на самих ранніх стадіях.
Виявлення АОА у екстрактів дуба в біологічнихсистемах, отриманого за ГОСТ Р 51299-99, відкриває перспективу досліджень, щонаправлені на пошук шляхів його використання у складі харчових продуктів.
Екстракти з трави м’яти, листя підбілу, плодівгоробини, трави чебрецю і звіробою, отримані згідно ТУ У 18.483-98, вжетестувалися на пиві. Було встановлено, що їх введення у середині технологічноїсхеми виготовлення напою не тільки підвищує смакову стабільність готовогонапою, а також позитивно впливає на збереження гірких речовин хмелю, що укінцевому результаті покращує смак пива [9].
1.2.1 Неферментативні процесиокиснення
До цього класу можна віднести процеси старіння пива,що йдуть без участі ферментів. Одним із таких процесів є окиснення вищихспиртів. Вони були відкриті на модельних розчинах пива. Меланоідини приокисненні спиртів є окислювачами. Відбувається перенос атому воднюгідроксильної групи спирту у карбонільну групу меланоідинів, причому із спиртуутворюється відповідний альдегід. Молекулярний кисень не бере участі у ційреакції безпосередньо, але він здатний її прискорювати. Ця реакція інгібуєтьсяізогумулонами та поліфенолами. Окиснення вищих спиртів у темряві протікає дужеповільно і здатність спиртів вступати у реакцію із збільшенням вуглеводневогорадикалу, зменшується [4]. Тому при умові правильного зберігання напою такимпроцесом можна знехтувати.
Окиснювальний розпад ізогумулонів також є небезпечнимдля смаку пива. Такий процес, особливо при підвищених температурах, призводитьдо суттєвого зменшення гіркоти напою [4]. Було встановлено, що приокиснювальному розпаді ізогумулонів утворюються пропан-2-он, 2-метилпропаналь,3,4-диметил-2-он, а також 2-метил-3-бутил-2ол [4,10]. Меланоідини тутвиступають у якості антиокисників [4].
Ще одним неферментативним процесом погіршення якостіпива є реакція Майяра та розпад Штрекера. У цих процесах утворюються різніα-дикарбонільні сполуки, які в рамках розпаду Штрекера здатні реагувати замінокислотами. При цьому амінокислота у ході декарбоксилювання переводиться в альдегід,в якому на один атом вуглецю менше:

/>

Цей процес каталізується у темряві за участю слідівіонів металів. На світлі розпад іде швидше, при цьому сприятливим фактором єприсутність рібофлавіна, поліфенолів та спиртів [2,4].
Альдегіди, що утворюються в реакції Майяра та розпадіШтрекера, не належать до компонентів, що визначають “старіння” пива. Але розпадШтрекера вважається причиною формування хлібного смаку у пиві [11 – 13].
Автоокиснення ненасичених жирних кислот та їх ефіріввідбувається чи не в кожному жировмісному харчовому продукті. Пиво не євиключенням.
У пиво потрапляє певна кількість жирних кислот ізсировини (зерно та хміль).
Ячмінь вміщує близько 2% ліпідів, які представлені яктими, що вміщують, так і тими, що не вміщують гліцерин компонентами, а такожвільними жирними кислотами.
Усі жирні кислоти, що входять до складу ліпідів,поділяють на дві групи: насичені, тобто ті, що не містять подвійних зв’язків,та ненасичені – ті, що містять подвійні зв’язки.
В ячменю, головним чином, містяться ненасичені жирнікислоти. У хмелю вміст ліпідів складає біля 3% сухої речовини, а вільні жирнікислоти – біля 20% його летких компонентів, що є досить значною величиною [2].
Саме ненасичені жирні кислоти та їхні етилові ефіри,що утворилися при бродінні, навіть при незначному потраплянні у пиво несуть усобі загрозу смаку напою. Тільки ненасичені жирні кислоти окиснюються доситьшвидко, щоб їх можна було вважати речовинами, які обумовлюють смак старого пива[11].
Так, ліноленова кислота окиснюється у 3 — 4 разишвидше порівняно з лінолевою, а остання, у свою чергу, — у 30 разів швидшемасляної кислоти. На модельних розчинах пива було встановлено, що автоокисненняжирних кислот відбувається за радикальним механізмом [10].
При цьому радикал, у більшості випадків радикалпероксиду, відщеплює атом водню від молекули жирної кислоти. Новий радикал, щоутворився, реагує з молекулярним триплетним киснем з утворенням радикалупероксиду, який відщеплює атом водню у наступної молекули жирної кислоти татрансформується у гідропероксид жирної кислоти [4]. Оскільки лінолева кислотахарактеризується максимальним вмістом у ячменю порівняно з іншими ненасиченимижирними кислотами, тому доцільно роздивлятись автоокиснення на її прикладі.
Загальна схема процесу автоокиснення є такою:
RH + R'O2•→ R'OOH+ R•
R• + O2 → RO2•
RO2• + RH → ROOH + R•(RH – лінолева кислота; R'O2•-пероксирадикал)
У випадку лінолевої кислоти радикал пероксиду атакує впаралельному до подвійного зв’язку положенні молекулу жирної кислоти,найчастіше у одинадцятого атома вуглецю, оскільки тут через можливу резонанснустабілізацію карбону через п’ять атомів вуглецю водень може бути відщепленийлегше за все, але атака можлива і на атоми вуглецю 8 та 4, які такожзнаходяться поряд із подвійним зв’язком. У результаті утворюється ціла серіягідропероксижирних кислот, причому 9 та 13-гідропероксилінолева кислотахарактеризується найвищою концентрацією [4]. Утворені гідропероксижирні кислотине є стабільними і тому здатні розщеплюватися. Саме в результаті цього процесуі утворюються карбоніли старіння. Схематично для гідропероксилінолевої кислотитакий розпад може мати вигляд:
/>

Тут зображено α-розщеплення. Залежно від того,розщеплюється молекула за варіантом А чи Б, утворюються різні продукти.
Розщеплення з позиції Б енергетично вигідне. З одногобоку, утворюється ненасичений альдегід, а з іншого, – жирна кислота, щоскладається з короткого ланцюгу. Радикал гідропероксиду (•ОН), щоутворився, є надзвичайно активним і може відщеплювати водень практично від усіхорганічних молекул, оскільки виграш в енергії у результаті утворення зв’язку О─Ну будь-якому випадку більше енергії, яка необхідна на розщеплення зв’язку С─Н.
Іони важких металів створюють каталітичну дію напроцеси окиснення. Окрім того, реакціям окиснення ненасичених жирних кислотсприяє підвищена температура, низьке значення рН та наявність окисників.
Можна роздивитись утворення радикалів у формі реакційФентона та Хабера- Вайса на прикладі пероксиду водню.
Реакція Фентона:
Fe2+ + H2O2 →Fe3+ + OH• + OHˉ
Fe3+ + H2O2 →Fe2+ + O2•ˉ + 2H+
Разом: 2H2O2 → OH• +OHˉ + O2•ˉ + 2H+
РеакціяХабера-Вайса:

Cu2++ O2•ˉ→ Cu+ + O2
Cu+ + H2O2 → Cu2++ OH• + OHˉ
Разом: O2•ˉ + H2O2→ O2 + OH• + OHˉ
Пероксид водню окислює іони заліза (II) до заліза(III), причому утворюється гідроксильний радикал та іон гідроксилу. Далі залізо(III) реагує з наступною молекулою пероксиду водню з утворенням двох протонів іодного супероксидного радикалу. Мідь (II) реагує з супероксидом з утвореннямміді (I) та кисню.
Мідь (I) розщеплює молекулу пероксиду водню на іонгідроксила та гідроксильний радикал. Радикали, що утворилися, є надзвичайноактивними та можуть призвести до зародження нових ланцюгів окиснення.
Поряд із автоокисненням ненасичених карбонових кислотіде процес фотоокиснення цих речовин. У фотоокисненні збудженийсенсибілізаторами синглетний кисень реагує, не потребуючи каталізаторів. Цейпроцес майже не залежить від температури. Продуктами цих процесів єгідропероксикислоти та альдегіди, що утворюються при розкладі таких кислот [3].Ця реакція залежить тільки від кількості кисню в субстраті та від наявностісенсибілізаторів, таких як рибофлавін (вітамін В2), хлорофіл,похідні порфірину та інші барвники. Взаємодія із синглетним киснем відбуваєтьсянабагато швидше реакції з триплетним киснем, тому захисту пива від світлапридають велике значення.
Було встановлено у пиві утворення різних насичених, атакож однократно та двократно ненасичених альдегідів при фотоокисненніолеїнової та лінолевої кислот [14].
Ненасичені альдегіди, що утворюються при окисненніненасичених жирних кислот, здатні окиснюватися далі. Так, при вторинному автоокисненніненасичені альдегіди переводяться у насичені з більш коротким вуглеводневимрадикалом. Було встановлено, що, наприклад, з транс-2-ноненалу можутьутворитися пентанал, гексанал, гептанал та октанал [10]. Цим пояснюютьсяповідомлення різних авторів про те, що концентрація транс-2-ноненалу, якийутворюється на початку старіння, при глибокому окисненні поступово зменшується[4].
Усі вищеперелічені неферментативні окиснювальніпроцеси можуть бути зароджені металами змінної валентності. Ці процеси на даниймомент широко вивчені. Оскільки залізо присутнє майже в усіх природнихоб’єктах, тому розгляд більш доцільно проводити на прикладі залізоініційованогоокислення. Так залізо сприяє зародженню ланцюгів за схемою [15]:
/>

У випадку наявності у системі відновників з підходящимредокс-потенціалом (аскорбінова кислота та ін.) відбувається регенерація Fe3+до Fe2+ за схемою:
/>

Відновлене залізо знову здатне зароджувати ланцюгиокиснення.
1.2.2 Ферментативне окиснення
Окиснювальні процеси не починаються у готовому пиві,вони вже відбуваються при виробництві солоду та сусла. Ячмінь містить складнуферментативну систему. Активність цих ферментів сильно зростає при пророщуваннізерна. У цей час відбувається часткове розщеплення ліпідів під дією ліпаз. Діяліпаз спрямована на складноефірну групу між гліцерином та високомолекулярнимижирними кислотами. Утворені вільні карбонові кислоти здатні окиснюватисянабагато легше, ніж їхні ефіри. Ферментом, що зумовлює окиснення ліпідів, єліпоксигеназа. Під дією цього ферменту у присутності кисню повітря ненасиченіжирні кислоти (олеїнова, лінолева, ліноленова) перетворюються у гідропероксиди,які здатні розпадатися на різних стадіях виробництва пива з утвореннямкарбонілів[2,4]. Так, під дією ліпоксигенази утворюється такий діальдегід, якнонадінал, що відповідає за появу “огіркового” запаху солоду. Оптимальна умовадії ліпоксигенази рН=6,0 та температура 28 – 300С. Під часвиготовлення сусла ліпоксигеназа активується і при значній кількості киснювідбувається активне утворення продуктів окиснення жирних кислот.
На стадії бродіння дріжджі відновлюють утворенікарбоніли та гідроперекиси у відповідні спирти, які є безпечними для смакунапою. При розпаді гідроксикислот після бродіння утворені карбонільні речовинизалишаються у пиві та погіршують його смак. Окрім ферментативних процесівокиснення з безпосередньою участю ферментів можна виділити процеси, деініціаторами є метали змінної валентності (Fe), а ферменти виконують допоміжнуроль. Як вже було описано у неферментативних процесах, залізо ініціює ланцюгиокиснення за вищенаведеною схемою.
У випадку наявності у системі ферментів, декоферментом є НАДФН2, іони заліза відновлюються ланцюгом переносуелектронів за наступною схемою [16,17]:
/>


2. Експериментальна частина
 
2.1 Газоволюмометричний метод
 
Одним із простих ірозповсюджених методів вивчення кінетики рідиннофазних реакцій окисненняорганічних речовин є метод вимірювання кількості поглиненого кисню.Газоволюмометричний (ГВ) метод дозволяє вимірювати швидкість окиснення звеликим ступенем точності при малих глибинах перетворення, коли впливомпродуктів окиснення на кінетику реакції можна знехтувати.
Існують різні варіантигазоволюмометричних установок. Загальний принцип їхньої дії полягає увимірюванні швидкості поглинання кисню при постійному тиску. Визначеннякінетичних параметрів процесу інгібованого окиснення: період індукції,швидкість реакції з пероксильними радикалами, та ряд інших кінетичних характеристикпроводили на установці для автоматичної реєстрації та запису поглинання кисню«Кулон-1» з фотоелектронним датчиком заводу Інституту хімічної фізикиРАН (рис.2.1).
Установка складається зреакційної судини (1), зануреної у термостатовану комірку (2), термостатованоїгазової бюретки (3), електролітичної комірки з платиновими електродами(електроліт — насичений розчин щавлевої кислоти) (4), регулятора тиску (5),заповненого ундеканом і манометра (6), фотоелектроннного датчика (8),підсилювача датчика (9), стабілізатора струму (10). Перед початком досліду бюретка,регулятор тиску і реакційна судина з речовиною, що окиснюється, заповнюються доатмосферного тиску киснем. Для проведення окиснення реакційна судина нагріваєтьсядо певної температури за допомогою термостата при безперервному перемішуванні,після двоххвилинного прогріву з'єднується з бюреткою і регулятором тиску.Фотоелектронний датчик через стабілізатор струму з'єднаний з електролітичноюкоміркою. Під час реакції кисень з бюретки надходить у реакційну судину, прицьому тиск у системі падає, і у зв'язку з цим вмикається електролітична комірка.Газ, що виділився з комірки, підвищує тиск у термостатованому об'ємі і піднімаєрівень ундекану в бюретці, в результаті чого тиск у системі вирівнюється.Швидкість просування меніска ундекана в бюретці пропорційна швидкості реакції.
/>
Рис. 2.1 Схема газоволюмометричної установки: 1 — реакційна судина; 2- термостат; 3 — газова бюретка; 4 — електролітична комірка;5 — регулятор тиску; 6 — манометр; 7 — термостатований об'єм; 8 – фотоелектроннийдатчик; 9 — підсилювач датчика; 10 — стабілізатор струму.
Сила струму на електролізері складала 0.2 А. Установкадозволяє вимірювати швидкість поглинання кисню від 10-7-10-8моль∙л-1∙с-1 і більше. Об'єм реакційної сумішідорівнює 5 мл, частота перемішування – 50-60 с-1. Вимірюванняпроводили в кінетичній області при тиску кисню 1 атм і температурі 313К та343К.
 
2.2 Хемілюмінесцентний метод
Одним зметодів вивчення кінетики хімічних реакцій може бути вимірюванняхемілюмінесценції, тобто світіння, яке супроводжує хімічні процеси. Хемілюмінесценція(ХЛ) виникає в екзотермічних елементарних актах реакцій, тому її характеристикизакономірно пов’язані з характеристиками реакцій. Детальне вивчення закономірностейхемілюмінесценції в реакціях, які йдуть за участю вільних радикалів, показало,що світіння виникає в елементарних актах рекомбінації вільних радикалів за схемою:/>
k6  

RO2• + RO2•→ [ROOOOR] → R=O* + O2 → R=O + hυ
Як видно,світіння виникає при квадратичній рекомбінації пероксирадикалів і йогоінтенсивність (І) пропорційна швидкості цього процесу:
I = ŋ6k6[RO2•]2,
де ŋ6– квантовий вихід світіння, тобто ймовірність перетворення енергії, що виділиласяу результаті рекомбінації радикалів, в енергію кванта світла.
На рис 2.2приведена схема приладу для вивчення реакцій рідиннофазного окиснення захемілюмінесценцією. Прилад складається з реакційного сосуду 1, який знаходитьсяу світлонепроникній камері 2 і до якого під’єднана система продувки газу 3,охолодження 4 та термостатування 5, фотопомножувача ФЕУ-29, що захищенийкожухом 7, підсилювача постійного струму (У1-7) 8, високовольтного випрямлювачастабілізатора (ІМТ-05) 9 та автоматичного електронного потенціометра (ЛКС4-003)10. Світіння, яке виникає у процесі окиснення, через світлофільтр 11 спрямовуєтьсяна зовнішній торець світлопроводу 12, а далі потрапляє на фотопомножувач, десвітловий сигнал перетворюється у постійний струм, який через виносний каскаделектрометричного помножувача потрапляє в електрометричний підсилювач 8 тареєструється за допомогою автоматичного потенціометра 10. Більш детально приладописується в роботі [18].

/>

Рис. 2.2 Схема хемілюмінесцентної установки:1-реакційний сосуд; 2-світлонепроникна камера; 3-продувка газа у реакційнийсосуд; 4-зворотній холодильник; 5-вводи термостату; 6-фотопомножувач; 7-кожухфотопомножувача; 8-підсилювач постійного струму; 9-високовольтний стабілізатор;10-електронний потенціометр; 11-світлофільтр; 12-світлопровід; 13-виноснийкаскад електрометричного підсилювача.
2.3 Техніка безпеки
Правила безпечної роботи в хімічних лабораторіях
Загальна організація роботи по техніці безпекипокладена на керівників відділів. Працювати в хімічних лабораторіяхдозволяється особам віком не менше 18 років, які пройшли інструктаж з ТБ. Увсіх приміщеннях лабораторії повинна бути встановлена витяжна вентиляція. Всіроботи, пов'язані з виділенням шкідливих парів або газів, повинні проводитись увитяжних шафах. Зберігання різних хімічних речовин у лабораторіях повинновідбуватись із врахуванням їх властивостей. Залишати робоче місце і нагрівальніприбори без нагляду заборонено. В кожній лабораторній кімнаті на певному місціповинні знаходитись вогнегасник, пісок, ковдра. Всі реактиви в лабораторіяхповинні зберігатися у тарі з підписом. В лабораторії повинно знаходитись неменше двох чоловік. Всі роботи в лабораторії повинні проводитись призадовільному стані електрообладнання.
Основні правила безпеки при роботі з їдкими речовинами
Роботу з концентрованими кислотами та лугами беззахисного обладнання заборонено. Концентрована кислота повинна зберігатись у товстостінномускляному посуді ємністю не більше 1 л у витяжній шафі. Розлиті кислоти або лугинеобхідно миттєво засипати піском. Після уборки піску це місце нейтралізують:кислоту — лугом або содою, луг — слабким розчином оцтової кислоти. Не можнанабирати концентровані кислоти та луги в піпетки ротом. При використанніхромової суміші необхідно запобігати попаданню суміші на шкіру, одяг та взуття.Заборонено зливати концентровані кислоти та луги в каналізацію, їх слід окремозбирати в посуд і після нейтралізації зливати в зливи для неорганічних речовин.
Основні правила безпечної роботи зелектрообладнанням та електроприладами
Заборонено переносити включені прилади та ремонтуватиобладнання, що знаходиться під струмом. Заборонено працювати поруч з оголеними частинамиобладнання. Заборонено загромаджувати підступи до електричних приладів. Увипадку припинення подачі струму всі прилади повинні бути миттєво відключені.Заборонено залишати без нагляду включені прилади. У випадку загорання проводкислід негайно вимкнути електрику та погасити вогонь за допомогою вуглекислотноговогнегасника та ковдри з азбесту.

3. Окиснювальне старіння пивата його стабілізація
 
Як вже відомо,причиною органоліптичного старіння пива є перебіг окиснювальних процесівкомпонентів напою. В інших роботах було встановлено, що такі процесиперебігають за радикально-ланцюговим механізмом. Це дає можливість використатихемілюмінесцентний метод для дослідження таких процесів. Цим методом дослідипроводились при температурі 700С, постійній подачі повітря танаявності 7% Na2S2O8 у якості ініціаторарадикальних процесів в пиві. Оскільки інтенсивність світіння прямопропорційнакількості досліджуваного субстрату, в експериментах використовували постійноодин і той самий об'єм пива (5 мл.). Піна, що може виникнути при виділеннідіоксиду вуглецю з пива під час досліду, негативно впливає на якістьрезультатів експерименту. Тому пиво кожен раз перед дослідом ретельнозвільнялося від діоксиду вуглецю (дегазація).
Необхідністьвикористання Na2S2O8 обумовлена дуже слабкоюприродньою хемілюмінесценцією пива, що означає повільний перебіг окиснювальнихпроцесів у напої у звичайних умовах. У створених умовах, що наведені вище, таприсутності Na2S2O8 пиво підлягає форсованому“старінню”. Це дозволяє провести експеримент за досить короткий проміжок часу,що є дуже зручним для дослідника.
Ініціююча дія Na2S2O8пов’язана з перебігом таких реакцій:
Nа2S2O8 + 2H2O→ H2O2 + 2NаHSO4
H2O2 → 2HO•
Nа2S2O8 → 2NаSO4•
Можливий перебіг і такої реакції [19]:
S2O82- + H2O→ SO4 + HSO42- + OH •

Кінетична крива ХЛ при окиснення пива, зображена нарис.3.1, де І – інтенсивність ХЛ-світіння./> /> /> /> /> /> /> />
Рис.3.1 ХЛ крива окиснення пива Т=700С,W(Na2S2O8) =7%  

Як видно, спостерігається досить складна динамікаХЛ-світіння. На кривій присутні два максимуми різної висоти (h1;h2).Другий максимум з'являється через певний проміжок часу – період індукції(τ). Інтенсивність світіння у періоді індукції характеризується величиноюh3.
Було встановлено, що головні параметри ХЛ кривоїокиснення пива (h1;h2; τ) залежать від умов досліду.Так, період індукції при збільшенні концентрації Na2S2O8зменшується, а величини h1;h2 при цьому зростають як цевидно з рис.3.2 та рис.3.3.
/>

/>

Також встановлено, що відключення подачі повітря усистему чи заміна його на такий нейтральний газ, як аргон, призводить дозникнення світіння. Це свідчить про радикальну природу процесів окиснення, атакож про те, що висоти першого та другого максимумів характеризуютьінтенсивність радикальних реакцій окиснення у пиві. Очевидно, що величинаτ є мірою стійкості напою до окиснювальних процесів. Наявність періодаіндукції на ХЛ кривій обумовлена присутністю у пиві речовин, що здатніпригнічувати окиснювальні процеси (власні антиоксиданти).
Хемілюмінесценція пива сильно залежить відтемператури. При зниженні температури відбувається зменшення величин h1та h2, а період індукції при цьому суттєво збільшується (рис.3.4)./> /> /> /> /> /> /> Рис.3.4 Залежність ХЛ пива від температури W(Na2S2O8) =7%
1 — Т=700С; 2 — Т=600С  


Для пояснення такої складної картини ХЛ пива та їїзміни у залежності від створених умов було проведено серію дослідів по з'ясуваннювпливу головних компонентів напою на параметри ХЛ. В табл.3.1 приведенірезультати цих дослідів.
Таблиця 3.1 – Зміна параметрів ХЛ пива при йогоокисненні з введенням додаткової кількості компонентів. Т=700С,W(Na2S2O8)=7%Компонент пива
h1/ h01
h2/ h02
τ/ τ0 Пиво без добавок 1,0 1,0 1,0 Твін – 80 1,5 1,0 1,0 Меланоідини 1,1 0,96 1,0 Іонол 1,4 0,96 1,1 Кофейна к-та 1,5 0,86 1,3
СО2-екстракт хмелю 1,0 0,93 1,0 Глюкоза; сахароза 1,0 1,0 1,0 Етиловий спирт 1,1 1,0 1,0
Аналіз отриманих даних дозволяє відмітити наступне:
–         додатковевнесення ефірів ненасичених карбонових кислот (твін – 80) у пиво призводить дозбільшення першого піку (h1) та не впливає на інші параметри ХЛкривої (h2; τ);
–         меланоідини,які є складною сумішшю сполук, що утворюються при нагріванні амінокислот зсахарами, практично не впливають на параметри хемілюмінесценції;
–         додатковевнесення речовин фенольної природи (іонол, кофейна к-та) у пиво призводить дозростання світіння в першому максимумі, зменшення другого максимума тазбільшення періоду індукції;
–         внесенняСО2-екстракту хмелю, що використовується у виробництві для охмеленнясусла, не впливає на параметри ХЛ кривої;
–         збільшеннявмісту сахарів (глюкоза; сахароза) у пиві, що окислюється, не вплинуло на ХЛкриву;
–         додатковевнесення етилового спирту дуже слабо вплинуло на величину першого піку та незмінило інші параметри ХЛ кривої.
З урахуванням вищезазначеного можна зробити деякіпопередні висновки щодо природи ХЛ світіння, яке виникає при окисненні пива:
1.        Хемілюмінесценціяобумовлена саме радикальними реакціями окиснення компонентів пива за участюкисню. Головною реакцією, що обумовлює виникнення світіння при окисненні пива,є взаємодія двох пероксирадикалів:
RO2• + RO2•→ [ROOOOR] → R=O* + O2 → R=O + hυ (1)
2.        ІнтенсивністьХЛ світіння у першому максимумі обумовлена речовинами, що легко окиснюються(ненасичені карбонові кислоти та їх ефіри) з утворенням пероксирадикалів (RO2•),що рекомбінують між собою з хемілюмінесценцією. Також перший пік характеризуєсвітіння, яке виникає у результаті розпаду самого ініціатора, що буловстановлено при моделюванні розчину досліджуваного субстрату.
3.        Фенольнісполуки (PhOH) пива (кверцетин, протокатехова к-та та ін.) здатні пригнічуватисвітіння у результаті протікання реакції:
PhOH + RO2• → ROOH + PhO•(2)
Тому інтенсивність світіння (I) повинна зменшуватисядо витрачання природних антиоксидантів пива.
Оскільки додавання речовин фенольної природи, як видноіз табл.3.1, призводить до збільшення величини першого піку, можна зробитивисновок, що джерелом світіння у першому максимумі, окрім вищепереліченихпроцесів, є реакція між пероксильним та феноксильним радикалами:

PhO• + RO2• →(хінон)* → хінон + hν (3)
Можливість виникнення ХЛ світіння у результатіпротікання реакції 3, встановлено раніше у вуглеводневих середовищах.
Зниження концентрації RO2• урезультаті протікання реакції 2 пригнічує реакції 1 та 3, і тому світіннясуттєво зменшується. Результатом такого зменшення і є період індукції на ХЛкривій окиснення пива. Наявність світіння в періоді індукції пояснюєтьсянезначним перебігом реакції 3.
4.        ОскількиСО2-екстракт хмелю не впливає на параметри хемілюмінесценції пива,це вказує на те, що гіркі та ароматичні речовини хмелю (гумулони, лупуліни,хмелеві масла) не приймають участі в окиснювальних процесах, що супроводжуютьсяхемілюмінесценцією. Індиферентність СО2-екстракту хмелю повідношенню до хемілюмінесценції пива також свідчить про низьку антиоксидантнуактивність фенолів цього екстракту.
5.        Післявитрачання PhOH у реакції 2, світіння знов посилюється, головним чином зарахунок реакцій 1;3, що і обумовлює висоту другого максимуму.
Для підтвердження результатів, отриманиххемілюмінесцентним методом, було проведено серію дослідів по вивченню кінетикиокиснення пива, використовуючи газоволюмометричний метод. Для можливостіспівставлення результатів, отриманих хемілюмінесцентним методом, з результатамигазоволюмометричних (ГВ) досліджень, досліди в обох випадках проводили заоднакових умов (Т=700С,W(Na2S2O8)=7%).
Кінетична крива поглинання кисню пивом, отриманагазоволюмометричним методом в наведених умовах зображена на рис.3.5

/>

Базуючись на тому, що такий самий зразок пива ваналогічних умовах за відсутністю Na2S2O8 непоглинає кисню, можна зробити висновок, що поглинання кисню після додавання Na2S2O8обумовлене перебігом окиснювальних процесів. Як видно, на кривійспостерігається період індукції повільного окиснення. Той факт, що в періодііндукції на газоволюмометричній кривій окиснення пива спостерігаєтьсяпоглинання кисню, корелює з тим фактом, що і на хемілюмінесцентній кривій вперіоді індукції також спостерігається деяке світіння. Більш того, періодіндукції, отриманий хемілюмінесцентним методом, співпадає з періодом індукції,отриманим газоволюмометричним методом. Така відповідність результатів остаточнодоводить те, що хемілюмінесцентне світіння обумовлене саме окиснювальнимипроцесами, що йдуть за участю кисню. Також отримані результати свідчать про те,що і газоволюмометричний, і хемілюмінесцентний методи дослідження даютьоб'єктивну оцінку окиснювальним процесам, що перебігають у пиві. Це відкриваєшироку перспективу застосування цих методів у подальших дослідах при вивченніокиснювального старіння пива.
Наступним етапом роботи було з'ясування впливу речовинантиокиснювальної природи чи рослинних екстрактів, що містять такі речовини, накінетику окиснення пива. Як вже було встановлено вище хемілюмінесцентнимметодом, додавання таких речовин, як іонол чи кофейна кислота у концентрації 5 ∙10-6моль/л, призводить до збільшення періоду індукції та зменшення величини другогопіку, тобто до збільшення стійкості напою до окиснювальних процесів. Аналогічнийефект спостерігається і при використанні газоволюмометричного метода. Як виднона рис.3.6, додавання водно-спиртового екстракту деревини дуба у кількості 0,25мл до пива призводить до збільшення періоду індукції та зменшення швидкостіокиснення в періоді індукції.
/>

Виявленаантиоксидантна активність даного екстракту узгоджується з літературними данимищодо наявності у ньому речовин з антиоксидантними властивостями [8,9].
Оскількиокиснювальні процеси не починаються у пиві лише при його зберіганні, аперебігають від початку виготовлення напою, в якості досліджуваного субстратубуло опробовано сусло. Сусло, як відомо, є “попередником” пива і відрізняєтьсявід пива підвищеним рівнем сахарів, речовин білкової та ліпідної природи тавідсутністю спиртів. Було встановлено, що у створених умовах (Т=700С,W(Na2S2O8)=7%) і хемілюмінесцентні, ігазоволюмометричні криві окиснення сусла ідентичні з кривими для пива, яке буловиготовлено з цього сусла (рис.3.7;3.8)./> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
Рис 3.8. ХЛ криві окиснення пива та сусла Т=700С,W(Na2S2O8) =7%:
1-сусло неохмелене, 2-сусло охмелене, 3-пиво  

Така ідентичність кривих для пива та сусла вказує наподібність окиснювальних процесів у суслі та пиві. Також такі результатисвідчать про головний внесок в окиснювальні процеси пива компонентів, щопотрапили з сусла (ненасичені карбонові кислоти, білки, вільні амінокислоти таін.). Це додатково свідчить про доцільність вивчення процесів окиснення(старіння) пива на прикладі сусла.
Як видно з рис.3.7 охмелене сусло окиснюєтьсяповільніше, ніж неохмелене. Це цілком логічно пояснюється головною відмінністюцих субстратів. Охмелене сусло містить певну кількість речовин зантиоксидантними властивостями (феноли хмелю). Ці речовини здатні уповільнюватиокиснювальні процеси. Неохмелене сусло таких речовин містить значно менше і, тому,легше окиснюється. Період індукції окиснення пива порівняно з суслом, є значновищим. Це можна пояснити тим, що сусло містить достатню кількість речовинпроокиснювальної природи (гідро перекиси та ін.). Ці речовини з’являються усуслі у процесі його виготовлення внаслідок термічних навантажень (варка суслата кип’ятіння з хмелем). Накопиченню цих речовин сприяє також вільний доступкисню до сусла. Пиво, на відміну від сусла, пройшло процеси бродіння. Дріжджі,які при цьому використовуються, мають ярко виражені відновлюючі властивості. Зарахунок такого впливу дріжджів відбувається відновлення речовинпроокиснювальної природи до продуктів, що є безпечними для окислювальногопсування напою. Окрім цього, пиво у результаті надтонкого фільтрування міститьзначно меншу кількість речовин білкової природи та ліпідів, які здатні легкоокиснюватися і тим самим спровоковувати окиснення інших компонентів.
Варто відмітити, що як у випадку газоволюмометричнихдосліджень, так і у випадку хемілюмінесценції, було встановлено, що кривіокиснення охмеленого та неохмеленого сусла відрізняються на незначну величину.Це пояснюється тим, що при виготовленні сусла даним виробником (ЗАО “Сармат”),був використаний не безпосередньо хміль, а СО2 – екстракт хмелю.Такий екстракт містить достатню кількість гірких та ароматичних речовин хмелю,проте вміст речовин фенольної природи у ньому зовсім невеликий. Цей факт широкоописується в літературі [36]. Додатковим доказом цього може бутиіндиферентність СО2 – екстракту хмелю по відношенню до хемілюмінесценціїпива, що було встановлено вище (табл.3.1).
Порівняння газоволюмометричних та хемілюмінесцентнихкривих окиснення пива та сусла дає змогу зробити висновок, що контроль завмістом речовин анти- та проокиснювальної природи у пиві на кожному етапі йоговиготовлення (особливо на стадії виготовлення сусла) є важливим для отриманнянапою з високими антиокиснювальними можливостями.
Як відомо, метали змінної валентності здатніприскорювати окиснювальні процеси, що йдуть за радикально-ланцюговиммеханізмом. Одним із таких металів може бути двовалентне залізо (Fe2+).Як було встановлено хемілюмінесцентним методом, додавання Fe2+ допива, що окиснюється у присутності Na2S2O8,призводить до зростання світіння у першому та другому максимумах та зменшенняперіоду індукції.
На рис.3.9 представлена залежність періоду індукціївід кількості двовалентного заліза в пиві.
/>


З отриманої залежності можна зробити висновок, щододавання Fe2+ призводить до зниження стійкості напою доокиснювальних процесів. Тому контроль за вмістом заліза та інших металівзмінної валентності у воді, суслі та пиві є важливим елементом у вирішенніпитання підвищення антиокиснювальної стійкості пива.
Вплив Fe2+ на кінетику окиснення пивавивчався також і газоволюмометричним методом. Але у цьому випадку дослідпроводився при температурі 400С, концентрації заліза 5 ∙10-3моль/л та відсутності інших ініціаторів радикальних процесів. Результати цихспостережень зображені на рис.3.10.
/>

Враховуючи те, що проба пива в аналогічних умовах бездодавання Fe2+ практично не поглинає кисню, можна зробити висновок,що додавання Fe2+ призвело не тільки до прискорення, а навіть дозародження окиснювальних процесів. Тобто було виявлено можливість перебігузалізоініційованого окиснення пива.
Можливість перебігу у пиві залізоініційованногоокиснення пояснюється тим, що Fe2+ здатне зароджувати ланцюгиокиснення за схемою:

/>

Прискорити чи збільшити глибину таких процесів можутьречовини, які будуть здатні відновити Fe3+ до Fe2+,оскільки знов відновлене Fe2+ зможе зароджувати нові ланцюгиокиснення. Такими речовинами можуть бути чи ферменти, де коферментом є НАДФН2,чи речовини неферментної природи з підходящим редокс-потенціалом (наприкладаскорбінова к-та).
Можливість перебігу процесів ферментативногозалізоініційованого окиснення перевірялася на суслі. Досліди проводилисьгазоволюмометричним методом при температурі 400С та концентраціїзаліза 5 ∙10-3 моль/л. Було виявлено, що і охмелене, інеохмелене сусло поглинають кисень у створених умовах з досить великоюшвидкістю (рис.3.11)
/>

Отримані результати свідчать щодо наявності процесівферментативного окиснення компонентів сусла. Більшість ферментів, як відомо, єактивними в інтервалі температур 20 – 400С. Для остаточного доказупротікання саме процесів ферментативного окиснення компонентів сусла булопроведено експеримент при 500С та незмінних інших параметрахдосліду. Кінетична крива поглинання кисню в таких умовах представлена на рис.3.12.
/>

/>
Порівняно з аналогічним дослідом при температурі 400Сшвидкість поглинання кисню при 500С зменшилася. Це означає, щопідвищення температури пригнічує ферментативне окиснення в результатідезактивації ферментів, що здатні відновлювати Fe3+ до Fe2+.Поглинання кисню (рис. 3.12 кр. 2) навіть після дезактивації ферментів можнапояснити одночасним протіканням як процесів ферментативного, так інеферментативного залізоініційованого окиснення.
Можливість перебігу процесів неферментативногозалізоініційованого окиснення перевірялася в умовах аскорбатзалежногозалізоініційованого окиснення. Результати цих спостережень зображені нарис.3.13.

/>

Як видно, додавання аскорбінової кислоти призводить дозбільшення глибини окиснення сусла. Можливість перебігу процесуаскорбатзалежного залізоініційованого окиснення перевірялася і безпосередньо напиві (рис.3.14)./> /> /> /> /> /> /> />
Рис.3.14 Газоволюмометричні криві поглинання кисню пивом
Т=400С, С(Fe2+)= 5 ∙10-3 моль/л:
1 – пиво з аскорбіновою кислотою (Саск. к-ти=0,5 г/л)
2 – пиво без добавок аскорбінової кислоти  


Як видно, додавання аскорбінової кислоти до пивапризвело не тільки до збільшення глибини його окиснення, а навіть до збільшенняшвидкості окиснення напою. Отримані результати (рис.3.13;3.14) доводятьможливість протікання реакцій відновлення Fe3+ до Fe2+аскорбіновою кислотою, що збільшує швидкість та глибину окиснення пива тасусла. Аналіз результатів показав, що такі відновники, як аскорбінова кислотаздійснюють подвійну роль. З одного боку, вони здатні регенерувати Fe3+до Fe2+ і, таким чином, підтримувати реакції окиснення. З іншого, –якщо концентрація у пиві заліза є незначною, аскорбінова кислота здатна діятияк синергіст натуральних антиоксидантів. Це додатково говорить щодо важливостіконтролю за вмістом у пиві та суслі речовин, що є ініціаторами окиснювальних процесів(кисень, метали змінної валентності, перекиси та ін.).
Для доказу того, що окиснення компонентів сусла (пива)в умовах залізоініційованого окиснення відбувається саме зарадикально-ланцюговим механізмом, було проведено досліди по встановленню впливуантиоксидантів радикально-ланцюгових процесів (іонол) на кінетику окисненнядосліджуваного субстрату. Результати представлені на рис.3.15.
/>


Як видно з рис.3.15 іонол уповільнює окиснення сусла.Це означає, що залізоініційоване окиснення компонентів сусла за участюферментів йде за радикально-ланцюговим механізмом Аналогічні результатиотримані і в умовах аскорбатзалежного залізоініційованого окиснення сусла(рис.3.16).
Таким чином, отримані залежності (рис.3.15;3.16)свідчать про те, що залізоініційоване ферментативне і аскорбатзалежне окисненнякомпонентів сусла (пива) відбувається за однаковим механізмом.
/>

/>
Вище для встановлення речовин, які призводять доперебігу окиснювальних процесів пива, хемілюмінесцентним методом булоперевірено вплив добавок деяких компонентів пива на кінетику окиснення напою.Для підтвердження результатів, отриманих в такий прийом, було проведено серіюдослідів на модельних розчинах пива (розчини окремих компонентів пива (сусла) уфосфатному буфері з рН=5,4; Т=400С; С(Fe2+)= 5 ∙10-3моль/л ) газоволюмометричним методом. Проведені досліди показали:
·         сахара(глюкоза, фруктоза, сахароза) не поглинають кисню в заданих умовах
·         вільніамінокислоти (фенілаланін, цистеїн, гліцин) у концентраціях, наявних у суслі тапиві, дуже слабо поглинають кисень
·         ненасиченікарбонові кислоти (лінолева к-та) в концентраціях, наявних в суслі, поглинаютькисень з великою швидкістю.
Криві поглинання кисню суслом та модельним розчиномлінолевої кислоти у фосфатному буфері зображені на рис.3.17.
/>

На газоволюмометричній кривій модельного розчинулінолевої кислоти є період індукції. Крива поглинання кисню суслом такогоперіоду не має. Відмінність можна пояснити тим, що на початкових стадіяхокиснення розчину лінолевої кислоти відбувається накопичення пероксидів(первинних продуктів окиснення), які в результаті розпаду прискорюютьокиснювальні процеси. У суслі такі речовини є, тому воно окиснюється безперіоду індукції. Варто відмітити, що після періоду індукції газоволюмометричнакрива розчину кислоти виходить приблизно на один рівень з газоволюмометричноюкривою сусла. Це означає, що головний внесок у процеси окиснення сусла (пива)вносять саме ненасичені карбонові кислоти.
Після з'ясування всіх можливих механізмівокиснювального старіння пива (сусла), встановлення речовин, які євідповідальними за перебіг чи прискорення таких процесів у напої та речовин, щоздатні уповільнювати окиснювальні процеси, заключним етапом роботи було опробуваннярізних антиоксидантів та рослинних екстрактів, що містять такі речовини дляантиокиснювальної стабілізації пива (сусла). Результати цих експериментіввикладено в табл.3.2; 3.3.
Таблиця 3.2 – Зміна параметрів ХЛ пива при введеннірізних антиоксидантів. Т=700С,W(Na2S2O8)=7%
Антиоксидант (С= 5 ∙10-6 моль/л)
h1/ h01
h2/ h02
τ/ τ0 Пиво без добавок 1,0 1,0 1,0 Кофейна к-та 1,5 0,86 1,3 Кверцетин 1,2 1,1 1,1 Протокатехова к-та 1,3 0,97 1,1 Ферулова к-та 1,5 0,94 1,3 Галова к-та 1,1 0,77 1,1 Етиловий ефір галової к-ти 1,1 0,74 1,1 Іонол 1,4 0,96 1,1 Фенол 2246 1,3 0,97 1,2
Таблиця 3.3 – Зміна параметрів ХЛ пива при введеннірослинних екстрактів. Т=700С,W(Na2S2O8)=7%Рослинний екстракт (W=0,0001%)
h1/ h01
h2/ h02
τ/ τ0 Пиво без добавок 1,0 1,0 1,0 Деревина дуба >1,5 0,88 1,4 Коріння кровохлебки >1,5 1,1 1,1 Трава звіробою 0,96 0,76 1,3 Плоди горобини >1,5 1,1 1,2 Шишки хмелю >1,5 1,2 1,2 Листя толокнянки >1,5 0,96 1,2

Отримані результати свідчать щодо можливостіантиокиснювальної стабілізації пива класичними антиоксидантамирадикально-ланцюгових процесів чи рослинними екстрактами, про що свідчитьзбільшення періодів індукції при окисненні пива після внесення зазначенихречовин.
Також було перевірено можливість антиокиснювальноїстабілізації пивного сусла водно-етанольним екстрактом деревини дуба у суміші заскорбіновою кислотою (рис.3.18).
/>

Як видно, антиокиснювальна стабільність сусла придодаванні вищевказаних речовин підвищилася. Це адекватно збільшенню періодуіндукції та зменшенню величини другого піку на отриманій кривій.
З результатів, наведених в табл.3.2, видно, щододавання таких речовин, як кофейна чи ферулова кислота призводить до найвищоїантиокиснювальної стабілізації, якщо виходити з відношення τ/τ0.Так само і серед рослинних екстрактів найбільшу антиокислювальну активністьпроявив екстракт з деревини дуба.
Таким чином, проведені досліди дозволили визначити всіпроцеси окиснювального старіння, яким підвержено пиво. Було опробовано длявивчення таких процесів газоволюмометричний та хемілюмінесцентний методидослідження, які до цього моменту не використовувалися для цих цілей.Розроблений варіант методики використання цих методів, як виявилось, є дужезручним для отримання якомога повнішої та об'єктивної інформації про перебігокиснювальних процесів у досліджуваному субстраті (пиво, сусло). Також можливевикористання цих методів дослідження по розробленій методиці для оцінкиантиокиснювальної активності різних речовин чи рослинних екстрактів,використовуючи у якості субстрату пивне сусло. Доведено, що всі окиснювальніпроцеси, що перебігають у пиві, відбуваються за радикально-ланцюговиммеханізмом. Було ідентифіковано всі речовини, які здатні прискорювати чиуповільнювати такі процеси. Як виявилось, прискорити окиснювальні процеси(знизити антиокиснювальну стійкість пива) здатні кисень, речовини перекисноїприроди, метали змінної валентності, надмірний рівень речовин білкової таліпідної природи, що також негативно впливає на антиокиснювальну стійкістьнапою. Речовинами, що здатні гальмувати такі процеси, є сполуки фенольноїприроди та рослинні екстракти, що містять такі речовини. Причому природніфеноли (кофейна к-та, ферулова к-та ) проявили сильніший вплив наантиокиснювальну стійкість пива, ніж синтетичні (іонол, фенол 2246). Булавиявлена можливість антиокиснювальної стабілізації пивного сусла, що даєможливість вплинути на перебіг процесів окиснювального старіння в пиві ще наранніх стадіях його виготовлення.
Така інформація дозволяє побудувати повну картину всьогоспектру окиснювальних процесів, що здатні призводити до “старіння” напою таметодів боротьби з ними. Це стане на заваді розробки заходів антиокиснювальноїстабілізації пива, які можуть бути впроваджені у виробництво, що обов'язковопозитивно вплине на якість даного харчового продукту.

Висновки
1.        Опробованогазоволюмометричний та хемілюмінесцентний методи дослідження для вивченняпроцесів окиснювального старіння пива. Розроблений варіант методикивикористання цих методів є дуже зручним для отримання об'єктивної інформаціїпро перебіг окиснювальних процесів в досліджуваному субстраті.
2.        Запропоновановикористання цих методів дослідження по розробленій методиці для оцінкиантиокиснювальної активності різних речовин чи рослинних екстрактів,використовуючи у якості субстрату пивне сусло.
3.        Доведено,що окиснювальні процеси, ініційовані персульфатом натрію, перебігають в пиві ісуслі за радикально-ланцюговим механізмом.
4.        Ідентифікованоречовини, які здатні прискорювати чи уповільнювати процеси окиснення в пиві.
5.        Виявленаможливість антиокиснювальної стабілізації пивного сусла фенолами, що даєможливість вплинути на перебіг процесів окиснювального старіння в пиві ще наранніх стадіях його виготовлення.
6.        Доведеноможливість протікання реакцій ферментативного та неферментативного окисненнякомпонентів пива, які можуть бути зароджені двовалентним залізом і відбуваютьсяза радикально-ланцюговим механізмом.
7.        Показано,що головним методом антиокиснювальної стабілізації пива є додаткове внесенняречовин фенольної природи (антиоксидантів радикально-ланцюгових процесів).

Література
 
1.        Кунце В. Правильноепиво – как его сварить? /В. Кунце // Пиво и напитки. – 2001. – №2. – С. 24 –25.
2.        ИвановаЕ.Г. Изменение липидов в процессе пивоварения и их влияние на вкусовуюстабильность пива /Е.Г. Иванова // Пиво и напитки. – 2003. – №3. – С. 12 – 14.
3.        ИвановаЕ.Г. Антиоксиданты для улучшения вкуса и стабильности пива/ Е.Г. Иванова, Л.В.Киселева, Н.Г. Ленец // Пиво и напитки. – 2004. – №2. – С. 25.
4.        ВакербауэрК. Реакция с радикалами и стабильность вкуса пива /К. Вакербауєр, Р. Хардт //Мир пива. – 1997. – №.4. – С. 38 – 42.
5.        РыбаковаЕ.В. Ионная хроматография универсальная методика для анализа пива/Е.В. Рыбакова//Пиво инапитки. – 2004.– №2. – С. 42 – 43.
6.        СавчукС.А. Применение новых хроматографических методов в исследовании пива/С.А.Савчук, К.В.Кобелев // Пиво и напитки. – 2003. – №1. – С. 15 – 20.
7.        ТимО’Рурк Роль кислорода в пивоварении / О’Рурк Тим // Пиво и напитки. – 2003. –№2. – С. 24 – 26.
8.        БушинаИ.А. Изучение антиоксидантной активности экстракта дубового / И.А. Бушина //Хранение и переработка сельхозсырья. – 2003. – №11. – С. 60 – 62.
9.        БілокірГ. Напій вищої проби /Г. Білокір, Л. Рибак, Л. Данилова та ін.// Харчова іпереробна промисловість. – 2002. – №4. – С. 22 – 23.
10.     ХошимотоН. Пути образования летучих альдегидов во время хранения бутылочного пива /Н.Хошимото// Научно-исследовательский отчет лаборатории фирмы Kirin Brew. – 1975.– №18. – С.1–11.
11.     МейльгардМ. Затхлый вкус пива, вызванный карбонилами/ М. Мейльгард // Дайджест Brew.Dig. – 1972. – №47. – С.52,54,56,57,62.
12.     БлокмансИсточники определенных соединений карбонилов, образующихся в результатестарения пива /Блокманс Машелен, Деврю А. // Материалы 17-го конгр. Евр. пивов.Конв.: – Берлин, 1979. – C.279 – 291.
13.     МашеленРоль фотохимических реакций для устойчивости вкуса пива / Машелен // Cerevisia.–1980. – №5. – C.107 – 110.
14.     Тресль Р.Образование альдегидов в результате окисления липидов и их значение каккомпонентов, нарушающих вкус пива /Р. Тресль, Д. Барри // Материалы 19-гоконгр. Евр. повов. Конв.: – Лондон, 1983. – C.525-532.
15.     ВладимировЮ.А. Перекисное окисление липидов в биологических мембранах / Ю.А. Владимиров,А.И. Арчаков .–М.: Наука, 1972.–252с.
16.     БарабойВ.А. Окислительно – антиоксидантный гомеостаз в норме и патологии / В.А.Барабой, Д.А. Сутковой.–К.: Чернобыльинформ, 1997.–Т.1. –С.204.
17.     БерезовТ.Т. Биологическая химия / Т.Т. Березов, Б.Ф. Коровкин.–М.: Медицина, 1983. –752с.
18.     Хемилюминесцентныеметоды исследования медленных химических процессов / В.Я. Шляпинтох, О.Н.Карпухина, Л.М. Постников и др. – М.: Наука, 1966.- 300с.
19.     ТоропцеваА.М., Лабораторный практикум по химии и технологии высокомолекулярных соединений/ А.М. Торопцева, К.В. Белгородская, В.М. Бондаренко. – Л., Химия, 1972. – 416с.

Резюме
Данная работа посвящена исследованиям процессовокислительного старения пива с использованием для этой цели хемилюминесцентногои газоволюмометрического методов исследования.
Установлено, что хемилюминесцентный игазоволюмометрический методы исследования, в отработанных вариантах, являютсядостаточно информативными для изучения процессов окисления в пиве. Результатыполученные этими методами идентичны, что свидетельствует об их объективности.Дана интерпретация хемилюминесцентных и газоволюмометрических кинетическихкривых при окислении пива, которые по виду аналогичны с соответствующими кривымидля сусла. Установлено, что введение ингибиторов радикально-цепных процессовприводит к подавлению процессов окисления в пиве. Добавки веществ перекиснойприроды, металлов переменной валентности, приводит к ускорению процессов.
Полученные результаты позволили сделать вывод о том,что ферментативные и неферментативные окислительные процессы в пиве и суслепротекают по радикально-цепному механизму. Выяснено, что наиболее эффективнымметодом антиокислительной стабилизации пива является внесение в него веществ сантиоксидантными свойствами или растительных экстрактов, содержащих такиевещества.

Summary
 
This work deals with the studying of the beeroxidative aging by means of chemiluminescence and gasometric methods ofinvestigation.
It has been established that used methods give enoughinformation. The results obtained by using this methods conform with eachother. This evidences about their objectivity.
It has been established that the radical-chain processinhibitors addition results in suppression of oxidation in beer. Adding ofperoxide nature substances and metals of changed valency accelerates theprocesses.
Received results allowed to conclude that fermentativeand non- fermentative oxidative processes in beer go according radical-chainmechanism.
It has been find out, that addition of substances withantioxidative properties and plant extract into beer was the most effective wayof its antioxidative stabilization.