SOME ASPECTS OF DISTILLATE PRODUCTION FROM JERUSALEM ARTICHOKE TUBERS. PART 2. BALANCE OF DISTRIBUTION OF VOLATILE COMPOUNDS BETWEEN FRACTIONS
Rubrics: FOOD PRODUCTION TECHNOLOGY
Authors:
1.
All-Russian Research Institute of Brewing, Nonalcoholic and Wine Industry
2.
All-Russian Research Institute of Brewing, Nonalcoholic and Wine Industry
3.
All-Russian Research Institute of Brewing, Nonalcoholic and Wine Industry
Type:
Article
Pages:
from 41
to 47
Status:
Published
Received:
23.07.2017
Accepted:
23.07.2017
Published:
23.07.2017
Subject area:
UDK 663.542:658.5
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
Language:
Russian
Keywords:
Jerusalem artichoke, fractional distillation, volatile compounds, neoplasm of volatile compounds
Abstract (English):
Distillation is a complex physico-chemical process consisting of ethanol concentrating and controlled regulation of volatile compound content in the product (distillate). Conditions of passing of volatile compounds into the distillate depend on many factors. These factors include the evaporation coefficient of the compound, its solubility in various ethanol concentrations, compounds’ mutual solubility in a multicomponent system, the rectification coefficient. The purpose of this research is to study the balance of distribution of volatile compounds between fractions (“cuts”) during distillation of fermented Jerusalem artichoke wort in a water- bath distilling plant. It has been discovered that extending of fermentation process and pre-saccharifying of the Jerusalem artichoke wort lead to methanol concentration increase in the distillate fractions. It has been discovered that the main part of methanol concentrates in the medium fraction. It is shown that during fermented wort distillation neoplasm of acetaldehyde and ethyl acetate takes place by 24-41% and 2.5-3.8 times. The clear dependence of acetaldehyde and ethyl acetate balance between the factions of the distillate on the method of raw material preparation and the time of fermentation has not been found. It has been found that overwhelming amount of 1-propanol, isobutanol and isoamyl goes to the middle fraction irrespective to the method of the raw material preparation for distillation and time of fermentation. Total amount of higher alcohols in the medium fraction is 74.6-96.9% to their concentration in fermented wort. Total amount of phenylethyl alcohol, a compound that gives the distillate flowery tones and the scent of honey, in the fractions is 11-25% to its initial concentration in the wort, herewith it concentrates in the tail fraction. The return of the tail fraction to a new portion of the distilled wort allows increasing the amount of phenylethyl alcohol in the distillate.
Distillation is a complex physico-chemical process consisting of ethanol concentrating and controlled regulation of volatile compound content in the product (distillate). Conditions of passing of volatile compounds into the distillate depend on many factors. These factors include the evaporation coefficient of the compound, its solubility in various ethanol concentrations, compounds’ mutual solubility in a multicomponent system, the rectification coefficient. The purpose of this research is to study the balance of distribution of volatile compounds between fractions (“cuts”) during distillation of fermented Jerusalem artichoke wort in a water- bath distilling plant. It has been discovered that extending of fermentation process and pre-saccharifying of the Jerusalem artichoke wort lead to methanol concentration increase in the distillate fractions. It has been discovered that the main part of methanol concentrates in the medium fraction. It is shown that during fermented wort distillation neoplasm of acetaldehyde and ethyl acetate takes place by 24-41% and 2.5-3.8 times. The clear dependence of acetaldehyde and ethyl acetate balance between the factions of the distillate on the method of raw material preparation and the time of fermentation has not been found. It has been found that overwhelming amount of 1-propanol, isobutanol and isoamyl goes to the middle fraction irrespective to the method of the raw material preparation for distillation and time of fermentation. Total amount of higher alcohols in the medium fraction is 74.6-96.9% to their concentration in fermented wort. Total amount of phenylethyl alcohol, a compound that gives the distillate flowery tones and the scent of honey, in the fractions is 11-25% to its initial concentration in the wort, herewith it concentrates in the tail fraction. The return of the tail fraction to a new portion of the distilled wort allows increasing the amount of phenylethyl alcohol in the distillate.
Keywords:
Jerusalem artichoke, fractional distillation, volatile compounds, neoplasm of volatile compounds
Jerusalem artichoke, fractional distillation, volatile compounds, neoplasm of volatile compounds
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. Tehnologiya spirta / pod red. Yarovenko V.L. - M: Kolos, 2002. - 464 s.
2. Peschanskaya, V.A. Vliyanie skorosti distillyacii na process polucheniya zernovogo distillyata / V.A. Peschanskaya, L.N. Krikunova, E.V. Dubinina // Pivo i napitki. - 2015. - № 4. - S. 28-30.
3. Peschanskaya, V.A. Sravnitel'naya harakteristika sposobov proizvodstva zernovyh distillyatov / V.A. Peschan- skaya, L.N. Krikunova, E.V. Dubinina // Pivo i napitki. - 2015. - № 6. - S. 40-43.
4. Peschanskaya, V.A. Vliyanie dlitel'nosti nagreva sbrozhennogo susla na vyhod i kachestvennye harakteristiki zernovyh distillyatov / V.A. Peschanskaya, L.N. Krikunova, E.V. Dubinina // Pivo i napitki. - 2016. - № 3. - S. 36-39.
5. Li, E. Spirtnye napitki: Osobennosti brozheniya i proizvodstva / E. Li, Dzh. Pigott; per. s angl.; pod obsch. red. A.L. Panasyuka. - SPb.: Professiya, 2006. - 552 s.
6. Dinamika raspredeleniya letuchih komponentov pri distillyacii vishnevoy mezgi / L.A. Oganesyanc [i dr.] // Vinodelie i vinogradarstvo. - 2016. - № 2. - S. 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. - Pr. 701-708.
8. Metodika izmereniy massovoy koncentracii letuchih komponentov v produktah brozheniya metodom gazovoy hromatografii. Svidetel'stvo ob attestacii № 01.00225/205-46-11 ot 28.06.2011, registracionnyy kod po Federal'nomu reestru FR.1.31.2011.10467.
9. Martynenko, E.Ya. Tehnologiya kon'yaka / E.Ya. Martynenko. - Simferopol': Tavrida, 2003. - 320 s.
10. Gueven, A. Chemical fingerprints of Raki: a traditional distilled alcoholic beverage / A. Gueven // Journal of Institute of Brewing and Distilling. - 2013. - № 119. - Pr. 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. - Pr. 53-67.
12. Dubinina, E.V. Issledovanie korrelyacionnoy zavisimosti mezhdu organolepticheskoy ocenkoy i soderzhaniem letuchih komponentov plodovyh vodok / E.V. Dubinina, G.A. Alieva // Vinodelie i vinogradarstvo. - 2015. - № 3. - S. 29-34.
13. Tehnicheskoe regulirovanie proizvodstva i oborota vinodel'cheskoy produkcii i spirtnyh napitkov. Reglamenty Evropeyskogo soyuza / Pod red. L.A. Oganesyanca, A.L. Panasyuka - M.: Promyshlenno-konsaltingovaya gruppa «Razvitie» po zakazu GU VNII pivovarennoy, bezalkogol'noy i vinodel'cheskoy promyshlennosti, 2009. - 200 s.
