НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ПРОИЗВОДСТВА ДИСТИЛЛЯТА ИЗ КЛУБНЕЙ ТОПИНАМБУРА. Часть 2. Баланс распределения летучих компонентов по фракциям
Рубрики: ТЕХНОЛОГИЯ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
Авторы:
1.
ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности»
2.
ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности»
3.
ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности»
Тип:
Статья
Страницы:
с 41
по 47
Статус:
Опубликован
Получено:
23.07.2017
Одобрено:
23.07.2017
Опубликовано:
23.07.2017
Классификаторы:
УДК 663.542:658.5
УДК 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
УДК 60 Прикладные науки. Общие вопросы
УДК 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
УДК 60 Прикладные науки. Общие вопросы
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
Топинамбур, фракционированная дистилляция, летучие компоненты, новообразование летучих компонентов
Аннотация (русский):
Дистилляция представляет собой сложный физико-химический процесс, заключающийся в концентрировании этанола с направленным регулированием состава летучих компонентов в продукте (дистилляте). Условия перехода летучих компонентов в дистиллят зависят от многих факторов. К таким факторам относятся коэффициент испарения вещества, растворимость вещества в этаноле различной концентрации, взаимная растворимость веществ в многокомпонентной системе, коэффициент ректификации. Цель настоящей работы состояла в изучении баланса распределения летучих компонентов по фракциям в процессе фракционированной дистилляции сброженного сусла из томинамбура на установке прямой сгонки кубового типа. Показано, что увеличение длительности процесса сбраживания и проведение предварительного осахаривания сусла из клубней топинамбура приводит к повышению содержания метанола во фракциях дистиллята. Установлено, что при принятых режимах работы дистилляционной установки основная часть метанола концентрируется в средней фракции. Показано, что в процессе дистилляции сброженного сусла из топинамбура происходит новообразование ацетальдегида и этилацетата, соответственно, на 24-41 % и в 2,5-3,8 раз. Четкой зависимости данных по балансу распределения ацетальдегида и этилацетата по фракциям от способа подготовки сырья к дистилляции и длительности процесса сбраживания не выявлено. Установлено, что не зависимо от способа подготовки сырья к дистилляции и длительности процесса сбраживания, в среднюю фракцию переходит подавляющее количество 1-пропанола, изобутанола и изоамилола. Сумма данных высших спиртов составляет в средней фракции 74,6-96,9 % от их содержания в сброженном сусле. Суммарное содержание фенилэтилового спирта, придающего дистилляту цветочно-медовые оттенки в аромате, во фракциях составляет от 11 до 25 % от его количества в сусле. При этом, в основном, он концентрируется в хвостовой фракции. Возврат хвостовой фракции в очередную порцию перегоняемого материала позволит повысить содержание фенилэтилового спирта в дистилляте.
Дистилляция представляет собой сложный физико-химический процесс, заключающийся в концентрировании этанола с направленным регулированием состава летучих компонентов в продукте (дистилляте). Условия перехода летучих компонентов в дистиллят зависят от многих факторов. К таким факторам относятся коэффициент испарения вещества, растворимость вещества в этаноле различной концентрации, взаимная растворимость веществ в многокомпонентной системе, коэффициент ректификации. Цель настоящей работы состояла в изучении баланса распределения летучих компонентов по фракциям в процессе фракционированной дистилляции сброженного сусла из томинамбура на установке прямой сгонки кубового типа. Показано, что увеличение длительности процесса сбраживания и проведение предварительного осахаривания сусла из клубней топинамбура приводит к повышению содержания метанола во фракциях дистиллята. Установлено, что при принятых режимах работы дистилляционной установки основная часть метанола концентрируется в средней фракции. Показано, что в процессе дистилляции сброженного сусла из топинамбура происходит новообразование ацетальдегида и этилацетата, соответственно, на 24-41 % и в 2,5-3,8 раз. Четкой зависимости данных по балансу распределения ацетальдегида и этилацетата по фракциям от способа подготовки сырья к дистилляции и длительности процесса сбраживания не выявлено. Установлено, что не зависимо от способа подготовки сырья к дистилляции и длительности процесса сбраживания, в среднюю фракцию переходит подавляющее количество 1-пропанола, изобутанола и изоамилола. Сумма данных высших спиртов составляет в средней фракции 74,6-96,9 % от их содержания в сброженном сусле. Суммарное содержание фенилэтилового спирта, придающего дистилляту цветочно-медовые оттенки в аромате, во фракциях составляет от 11 до 25 % от его количества в сусле. При этом, в основном, он концентрируется в хвостовой фракции. Возврат хвостовой фракции в очередную порцию перегоняемого материала позволит повысить содержание фенилэтилового спирта в дистилляте.
Ключевые слова:
Топинамбур, фракционированная дистилляция, летучие компоненты, новообразование летучих компонентов
Топинамбур, фракционированная дистилляция, летучие компоненты, новообразование летучих компонентов
Дистилляция - сложный физико-химический процесс, цель которого заключается в концентри- ровании этилового спирта с направленным регули- рованием состава летучих компонентов, формиру- ющих качество конечного продукта. Очистка спирта от летучих компонентов или их накопление в спирте при дистилляции основана на различии коэффициентов испарения или ректифика- ции. Коэффициент испарения Ки представляет собой отношение концентрации вещества в парах к кон- центрации его в жидкости в момент установления равновесия. Отношение коэффициента испарения какого-либо летучего компонента к коэффициенту испарения этилового спирта называется коэффици- ентом ректификации Кр. Коэффициенты испарения и ректификации примесей зависят от концентрации этанола в водном растворе, из которого выделяются примеси. Считается, что все известные примеси по их летучести можно разделить на четыре группы: головные, промежуточные, хвостовые и концевые (преимущественно остающиеся в барде) [1]. К головным примесям относят те, которые об- ладают большей летучестью, т. е. бόльшим коэф- фициентом испарения, чем этиловый спирт при всех концентрациях его в растворе. Основные представители головных примесей - ацетальдегид, изобутиральдегид, кетоны, муравьиноэтиловый, уксуснометиловый, уксусноэтиловый и диэтиловый эфиры. Летучесть хвостовых примесей всегда, при лю- бой концентрации этанола, меньше летучести эти- лового спирта, поэтому хвостовые примеси в смеси со спиртоводной жидкостью могут рассматривать- ся как труднолетучий компонент (ТЛК). Они кон- центрируются в хвостовой фракции, и значительная их часть удаляется из технологического процесса с остатком производства - бардой. Типичными хво- стовыми примесями являются, например, уксусная кислота, фурфурол, β-фенилэтиловый спирт. Промежуточные примеси обладают двоякими свойствами: при высоких концентрациях этанола они имеют характер хвостовых примесей, при низ- ких, напротив, характер головных примесей. Ос- новные представители промежуточных примесей - сивушные масла: изоамиловый, изобутиловый, пропиловый спирты, и высококипящие эфиры: изо- валерианоизоамиловый, уксусноизоамиловый, изо- валерианоэтиловый и др. Для концевых примесей, как и для промежуточ- ных, характерна летучесть в локальных условиях, однако в противоположность им концевые примеси имеют коэффициент ректификации Kр<1 при низ- ких концентрациях и Кр>1 при высоких. Характер- ной концевой примесью, с точки теории ректифи- кации, является метанол. Присутствие многих летучих компонентов в пе- регоняемой среде оказывает влияние на коэффици- ент ректификации каждой из них. На результатах перегонки сказывается также растворимость примеси в этиловом спирте и водно-спиртовых раство- рах различной концентрации, а также взаимная растворимость различных примесей. В целом, условия перехода летучих компо- нентов в дистиллят зависят от многих факторов: от их растворимости в этиловом спирте и водно- спиртовых растворах различной концентрации; от взаимной растворимости; от значений коэф- фициентов испарения и ректификации. Послед- ние зависят, как от состава летучих компонентов, так и от их содержания в перегоняемой среде по отношению к концентрации этилового спирта. Кроме того, установлено, что процесс распреде- ления летучих компонентов по фракциям дис- тиллята зависит от способов дистилляции и ее режимных параметров [2, 3, 4]. Различия в пове- дении летучих компонентов накладывают отпе- чаток на органолептические характеристики от- дельных фракций, отбираемых в процессе дис- тилляции, и на их выход [5, 6, 7]. Объекты и методы исследований В качестве объектов исследования использовали сброженное сусло, подготовленное к дистилляции по двух- и одностадийному способам, и фракции, полученные в процессе его дистилляции. Дистилляцию осуществляли на установке пери- одического действия прямой сгонки кубового типа, снабженной укрепляющей колонной с тремя кол- пачковыми тарелками и дефлегматором, располо- женном в верхней части колонны, по режим- ным параметрам: температура греющих паров 100-110 °С, давление - не более 0,1мПа. Качественный и количественный состав летучих компонентов в сброженном сусле и фракциях ди- стиллята из топинамбура определяли методом газо- вой хроматографии на приборе «Кристалл 5000.1» («Хроматек», Россия) по действующей методике [8]. Результаты и их обсуждение В настоящей работе для перегонки сброженного сусла из клубней топинамбура использовали схему, предусматривающую однократную дистилляцию с фракционированием на головную, среднюю и хво- стовую фракции. Данные по динамике изменения концентрации основных летучих компонентов при дистилляции, приведенные в первой части работы, позволили рассчитать баланс их распределения по фракциям. При этом среднюю фракцию получали путем объединения фракций Ф2-Ф5. В табл. 1 и 2 приведены исходные данные к рас- чету баланса распределения летучих компонентов по фракциям. Содержание летучих компонентов в сусле соответствовало их количеству, в мг, в объе- ме безводного спирта, полученного в результате дистилляции сброженного сусла, полученного из 10 кг клубней топинамбура. При расчете количе- ства компонентов во фракциях Ф1; ΣФ2-Ф5 и Ф6 учитывался объем отдельных фракций и их кре- пость. Таблица 1 Исходные данные к расчету баланса распределения летучих компонентов при дистилляции по фракциям (двухстадийный способ) Содержание летучих компонентов, мг Образец 1 Образец 2 Сусло Ф1 ∑Ф2-Ф5 Ф6 Сусло Ф1 ∑Ф2-Ф5 Ф6 Ацетальдегид 45 42 14 1 114 114 45 2 Этилацетат 37 109 30 1 37 68 25 1 Метанол 2525 348 1933 368 3545 442 3144 424 Высшие спирты, в т.ч.: 2290 236 2219 51 2145 116 1600 23 - 1-пропанол 364 53 485 24 427 30 383 12 - изобутанол 830 111 787 12 557 49 506 4 - изоамилол 1096 72 947 15 1161 37 711 7 Энантовый эфир 13 3 15 - 23 2 22 - Фенилэтиловый спирт 79 1 5 14 142 - 5 11 Сумма летучих компонентов* 5060 772 4253 438 6055 798 4892 467 Исходные данные к расчету баланса распределения летучих компонентов при дистилляции по фракциям (одностадийный способ) Таблица 2 Содержание летучих компонентов, мг Образец 3 Образец 4 Сусло Ф1 ∑Ф2-Ф5 Ф6 Сусло Ф1 ∑Ф2-Ф5 Ф6 Ацетальдегид 208 248 44 3 134 131 45 3 Этилацетат 48 105 26 1 45 109 30 1 Метанол 2716 512 2534 478 2927 494 2678 525 Высшие спирты, в т.ч.: 1701 133 1425 17 1759 156 1500 25 - 1-пропанол 301 29 279 9 289 33 307 12 - изобутанол 432 62 506 3 477 71 504 5 - изоамилол 968 42 640 5 993 52 689 8 Энантовый эфир 17 2 19 - 18 3 22 - Фенилэтиловый спирт 79 1 3 14 74 - 4 14 Сумма летучих компонентов* 4846 1058 4096 519 5080 932 4325 575 Примечание. В табл. 1, 2 при расчете суммы летучих компонентов учитывались все идентифицированные примеси, некоторые из них в иллюстративный материал не включены Данные, представленные в табл. 1 и 2, свиде- тельствуют, что увеличение длительности процесса сбраживания и проведение предварительного оса- харивания сусла из клубней топинамбура приводит к повышению содержания метанола в сброженном сусле и, как следствие, к увеличению его содержа- ния во фракциях дистиллята. При этом отмечено максимальное содержание метанола во фракциях образца № 2, полученного двухстадийным спосо- бом подготовки сырья к дистилляции при длитель- ности сбраживания - 3-е суток. При той же дли- тельности процесса сбраживания сусла, подготов- ленного одностадийным способом (образец № 3), содержание метанола во фракциях оказалось ниже на 12 %. Вероятно, данный факт связан с перехо- дом части протопектина сырья в растворимое со- стояние при водно-тепловой и ферментативной обработке топинамбура в процессе осахаривания (при температуре 50-55 ºС в течение 3 часов). Представленные табличные данные показыва- ют, что в процессе дистилляции сброженного сусла из топинамбура, основная часть такого труднолетучего компонента как фенилэтиловый спирт остает- ся в отходе производства - барде. Суммарное со- держание фенилэтилового спирта во фракциях со- ставляет в среднем 11-25 % от его количества в сусле, при этом данная примесь концентрируется, в основном, в хвостовой фракции Ф6. При этом из- вестно, что фенилэтиловый спирт придает дистил- ляту цветочно-медовые оттенки в аромате, что по- ложительно сказывается на сенсорном восприятии конечного продукта. С целью обогащения дистил- лятов и напитков на их основе, к примеру, коньяка, виски, бренди, плодовых водок, хвостовая фракция часто добавляется в очередную порцию перегоняе- мого материала [5, 9]. С учетом выявленного факта и расчета суммы летучих компонентов в сусле и во фракциях установлено, что процесс дистилляции сброженного сусла, полученного из свежих клуб- ней топинамбура двумя ранее описанными спосо- бами подготовки сырья, сопровождается новообра- зованием летучих компонентов. Их количество, в зависимости от варианта возрастает на 3,8 -18,3 % (табл. 3). Таблица 3 Исходные данные к расчету процесса новообразования летучих компонентов при дистилляции сусла из топинамбура Показатели Образец 1 Образец 2 Образец 3 Образец 4 Содержание летучих компонентов в сусле (m1), мг 5060 6055 4846 5080 Суммарное содержание летучих компонентов во фрак- циях: Ф1, ∑Ф2-Ф5, Ф6, мг 5463 6157 5673 5832 Количество фенилэтилового спирта в барде, мг 59 126 61 56 Содержание летучих компонентов во фракциях с уче- том потерь фенилэтилового спирта с бардой (m2), мг 5522 6283 5734 5888 Новообразование (Н), % 9,1 3,8 18,3 15,9 Примечание. Н=(m2 ∗ 100) - 100. ml Известно [9, 10, 11], что источниками новообразования в процессе дистилляции, являются летучие и нелетучие компоненты перегоняемого продукта. Основные процессы новообразований, проходящих в кубе установки, приводят к обогащению дистил- лятов эфирами, альдегидами, ацеталями и высшими спиртами. Проведенные исследования при изучении про- цесса дистилляции сброженного сусла из топинам- бура - нового, перспективного для производства спиртных напитков сырья, показали, что основны- ми летучими компонентами при новообразовании являются ацетальдегид и этилацетат. Повышение их содержания во фракциях по сравнению с коли- чеством в сброженном сусле составило, соответ- ственно, на 24-41% и в 2,5-3,8 раз. Приведенные в табл. 1 и 2 данные позволили рассчитать баланс распределения основных лету- чих компонентов по фракциям. Установлено (рис. 1), что ацетальдегид - один из наиболее летучих компонентов сброженного сусла, кон- центрируется в головной фракции (93,3-119,2 % от исходного в сброженном сусле). Вместе с тем, при принятом объеме отбора данной фракции (в среднем 80 см3), содержание ацетальдегида в средней фракции колеблется в довольно широких пределах - от 21,2 до 39,5 % от исходного в сусле. Известно, что повышенное содержание аце- тальдегида может негативно сказаться на органо- лептических характеристиках дистиллята. Луч- шим, по данному показателю является образец № 3, полученный по одностадийному способу переработки топинамбура и сбраживанию в тече- ние 3-х суток. С целью улучшения качественных показателей других образцов по содержанию ацетальдегида можно увеличить объем отбирае- мой головной фракции. Однако такой прием при- ведет к снижению выхода средней фракции дистиллята, а, следовательно, он экономически нецелесообразен. Расчет баланса распределения этилацетата при дистилляции по фракциям (рис.2) позволил установить, что его содержание в головной фракции варьируется в пределах 183,8-294,6 % от исходного в сброженном сусле, в средней фракции - составляет от 54,2 до 81,1 %. Полу- ченные данные свидетельствуют о хорошей сте- пени разделения этилацетата на фракции, что позитивно характеризует процесс, т.к. повышен- ное содержание данного компонента может сни- зить органолептические характеристики спиртно- го напитка [12]. Содержание ацетальдегида во фракции, % от исходного в сброженном сусле 140 120 100 93,3 100,0 119,2 97,8 80 60 40 31,1 20 39,5 21,2 33,6 2,2 1,8 1,4 2,2 0 Образец 1 Образец 2 Образец 3 Образец 4 Головная фракция Средняя фракция Хвостовая фракция Рис. 1. Баланс распределения ацетальдегида по фракциям при дистилляции сброженного сусла из топинамбура 350 Содержание этилацетата во фракции, % от исходного в сброженном сусле 300 250 294,6 218,8 242,2 200 183,8 150 100 50 0 81,1 64,6 54,2 66,7 2,7 2,7 2,1 2,2 Образец 1 Образец 2 Образец 3 Образец 4 Головная фракция Средняя фракция Хвостовая фракция Рис. 2. Баланс распределения этилацетата по фракциям при дистилляции сброженного сусла из топинамбура В целом, четкой зависимости данных по балан- су распределения ацетальдегида и этилацетата по фракциям от способа подготовки сырья к дистил- ляции и длительности процесса сбраживания не выявлено. Баланс распределения метанола при дистилля- ции по фракциям, приведенный на рис. 3, свиде- тельствует о том, что при принятых режимных па- раметрах основная часть метанола концентрируется в средней фракции. Так как содержание метанола в спиртных напитках является определяющим пока- зателем их безопасности, его значение в продукте строго регламентируется [13]. Особое значение этот показатель имеет для контроля качества спиртных напитков, полученных из сырья, богатого пектиновыми веществами. В связи с вышесказанным, в дальнейших исследованиях, касающихся вопросов разработки новой технологии спиртных напитков из топинамбура, необходимо провести дополнительные исследования по оптимизации процесса дистилляции. Баланс распределения высших спиртов при ди- стилляции по фракциям (рис. 4) показывает, что, не зависимо от способа подготовки сырья к дистилля- ции и длительности процесса сбраживания, в сред- нюю фракцию переходит подавляющее количество 1-пропанола, изобутанола и изоамилола. Сумма данных высших спиртов составляет в средней фракции 74,6÷96,9 % от их исходного содержания в сброженном сусле. Четкой зависимости распреде- ления отдельных спиртов от выше указанных фак- торов не выявлено. 100 Содержание метанола во фракции, % от исходного в сброженном сусле 90 80 70 60 50 40 30 76,6 88,7 93,3 91,5 20 13,8 10 0 14,6 12,5 12,0 18,9 17,6 16,9 17,9 Образец 1 Образец 2 Образец 3 Образец 4 Головная фракция Средняя фракция Хвостовая фракция Рис. 3. Баланс распределения метанола по фракциям при дистилляции сброженного сусла из топинамбура 120 Содержание высших спиртов во фракции, % от исходного в сброженном сусле 100 80 96,9 74,6 83,8 85,3 60 40 20 10,3 0 5,4 7,8 8,9 2,2 1,1 1 1,4 Образец 1 Образец 2 Образец 3 Образец 4 Головная фракция Средняя фракция Хвостовая фракция Рис. 4. Баланс распределения высших спиртов по фракциям при дистилляции сброженного сусла из топинамбура Таким образом, приведенный баланс распреде- ления летучих компонентов при дистилляции сброженного сусла из свежих клубней топинамбура позволяет прогнозировать выход и качество получаемого дистиллята путем регулирования объема отбираемых головной и хвостовой фракций. Ре- зультаты дальнейших исследований будут пред- ставлены в третьей части работы.
1. Технология спирта / под ред. Яровенко В.Л. - М: Колос, 2002. - 464 с.
2. Песчанская, В.А. Влияние скорости дистилляции на процесс получения зернового дистиллята / В.А. Песчанская, Л.Н. Крикунова, Е.В. Дубинина // Пиво и напитки. - 2015. - № 4. - С. 28-30.
3. Песчанская, В.А. Сравнительная характеристика способов производства зерновых дистиллятов / В.А. Песчан- ская, Л.Н. Крикунова, Е.В. Дубинина // Пиво и напитки. - 2015. - № 6. - С. 40-43.
4. Песчанская, В.А. Влияние длительности нагрева сброженного сусла на выход и качественные характеристики зерновых дистиллятов / В.А. Песчанская, Л.Н. Крикунова, Е.В. Дубинина // Пиво и напитки. - 2016. - № 3. - С. 36-39.
5. Ли, Э. Спиртные напитки: Особенности брожения и производства / Э. Ли, Дж. Пиготт; пер. с англ.; под общ. ред. А.Л. Панасюка. - СПб.: Профессия, 2006. - 552 с.
6. Динамика распределения летучих компонентов при дистилляции вишневой мезги / Л.А. Оганесянц [и др.] // Виноделие и виноградарство. - 2016. - № 2. - С. 9-13.
7. The role of distillation on the quality of tequila / R. Prado-Ramirez, V. Gonzáles-Alvarez, C. Pelayo-Ortiz, N. Casillas, Estarrón, H.E. Gómez-Hernández // International Journal of Food Science and Technology. - 2005. - № 40. - Pр. 701-708.
8. Методика измерений массовой концентрации летучих компонентов в продуктах брожения методом газовой хроматографии. Свидетельство об аттестации № 01.00225/205-46-11 от 28.06.2011, регистрационный код по Федеральному реестру ФР.1.31.2011.10467.
9. Мартыненко, Э.Я. Технология коньяка / Э.Я. Мартыненко. - Симферополь: Таврида, 2003. - 320 с.
10. Gueven, A. Chemical fingerprints of Raki: a traditional distilled alcoholic beverage / A. Gueven // Journal of Institute of Brewing and Distilling. - 2013. - № 119. - Pр. 126-132.
11. Claus, M.J. Fruit brandy production by batch column distillation with reflux / M.J. Claus, K.A. Berglund // Journal of Food Process Engineering. - 2005. - № 28. - Pр. 53-67.
12. Дубинина, Е.В. Исследование корреляционной зависимости между органолептической оценкой и содержанием летучих компонентов плодовых водок / Е.В. Дубинина, Г.А. Алиева // Виноделие и виноградарство. - 2015. - № 3. - С. 29-34.
13. Техническое регулирование производства и оборота винодельческой продукции и спиртных напитков. Регламенты Европейского союза / Под ред. Л.А. Оганесянца, А.Л. Панасюка - М.: Промышленно-консалтинговая группа «Развитие» по заказу ГУ ВНИИ пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности, 2009. - 200 с.
