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    1. 低壓煮沸工藝的探討

      發布時間:2018-08-10 09:50          

      一、 前言

      麥汁煮沸是啤酒生產的一個重要環節。麥汁煮沸的效果影響著啤酒的質量,關系到啤酒的苦味、色度、風味、泡沫等特性,同時對啤酒的膠體穩定性、泡沫穩定性、風味穩定性也有著十分重要的影響。麥汁煮沸階段是啤酒廠最耗能量的一道工序,麥汁預熱和煮沸耗能幾乎占啤酒廠總耗能量的三分之一。因此,煮沸系統的經濟性要求使麥汁煮沸技術得到了發展,從1979年以來,低壓麥汁煮沸系統在全世界范圍內得到了廣泛的使用。我廠從1992年開始,將常壓煮沸系統改造為低壓煮沸,經過幾年的摸索和使用證明,合理的低壓煮沸工藝不僅可以節約大量的能量,而且不會降低啤酒的質量。

      二、低壓煮沸的可行性

      (一)麥汁煮沸過程中的變化

      1.酒花組分的溶解和轉變

      酒花樹脂或酒花苦味物質能賦予啤酒苦味。在麥汁煮沸過程中,α-酸異構成異α-酸,異α-酸比α-酸更易溶于麥汁,α-酸不溶于冷麥汁。麥汁煮沸過程中大約只有三分之一的α-酸發生異構化。

      酒花精油是啤酒重要的香氣來源,酒花精油極易揮發,易氧化,氧化后形成極難聞的脂肪臭。

      酒花含有4~8%的花色苷、單寧、兒茶酸等水溶性多酚物質,可參與凝固物的形成。

      2.蛋白質—多酚復合物的形成和分離

      來自麥芽、酒花的水溶性多酚與麥汁中的蛋白質可以相互聚合形成凝固物。

      熱凝固物:麥汁煮沸時以凝固物的形式析出。

      冷凝固物:麥汁煮沸時以溶解形式存在,麥汁冷卻時以凝固物的形式析出分離,它可以參與啤酒的冷混濁。

      麥汁經過煮沸以后,還含有少量高分子可凝固性氮(<25mg/L麥汁),能與多酚氧化聚合析出,產生混濁。

      3.水分蒸發

      水分蒸發愈大,麥汁運動愈強烈,凝固物形成愈好。

      水分蒸發愈大,煮沸所消耗的能量也愈多。

      水分蒸發量大,糖化收率高。

      4.麥汁滅菌

      經過麥汁煮沸,可以殺滅麥汁中的細菌,尤其是產酸菌,防止麥汁酸敗。

      5.酶的鈍化

      經過麥汁煮沸,可以鈍化麥汁中的殘余酶活,停止酶的作用,使麥汁定型。

      6.麥汁色度上升

      煮沸中形成的類黑素和多酚氧化使麥汁色度不斷上升。

      7.麥汁酸度的增加

      酸性類黑素和酒花帶入的酸性物質使麥汁的酸度上升。

      混合麥汁pH5.8~5.9;打出麥汁pH5.5~5.6。

      pH值影響著:蛋白質—多酚復合物析出、色度形成、酒花苦味物質的溶解和轉變等。

      8.還原物質的形成

      麥汁煮沸過程中能產生類黑精等還原性物質。類黑精具有雙重作用:一方面,具有還原作用;另一方面,在有氧的條件下,促進高級醇氧化形成羰基。

      9.DMS含量的變化和影響

      DMS也就是二甲基硫(CH3)2S,易揮發,給啤酒帶來不愉快的口味和氣味,被描述成腐爛卷心菜的氣味,根據啤酒的不同其口味閾值50~60ug/L,生產過程中應盡可能去除DMS。

      DMS是大麥發芽過程中產生的硫-甲基蛋氨酸(SMM)經高溫分解的產物,反應存在于麥芽干燥、麥汁煮沸、麥汁回旋沉淀等過程。

      麥汁煮沸的溫度決定了SMM→DMS反應的速度;水分蒸發量決定了DMS的揮發。

      沉淀槽中SMM繼續分解產生DMS,因為沉淀槽是密閉的,DMS不能揮發,所以沉淀槽中的DMS含量會上升。也有一些啤酒廠使用一個稱為“stripper”的設備來去除DMS,該設備放在沉淀槽之后,麥汁從上部噴灑下來,熱空氣從下部逆流而上,加強麥汁中DMS的揮發,被除去DMS的麥汁隨后進入薄板冷卻器冷卻。

      冷麥汁中殘留的SMM可部分被酵母吸收同化;啤酒中殘留的SMM在啤酒高溫貯藏時產生DMS,使DMS含量上升。

      (二)   低壓煮沸的理論基礎

      壓力小于1Bar(100~120℃)的加壓煮沸,稱為低壓煮沸。

      低壓煮沸的理論基礎是Arrhenius準則:“溫度每上升10℃,化學反應的速度增加一倍”。這是Arrhenius發現的,曾于1907年獲得諾貝爾物理獎。該原理適用于一般的化學反應過程,對于SMM分解和可凝固氮凝固來說,溫度每升高10℃,反應速度增加為原來的3.16倍(不同文獻報道有一定差異)。

      低壓煮沸自誕生以來,引起了許多爭議。一是保壓階段的煮沸溫度,二是最小蒸發量。

      1.煮沸溫度與時間的確定

      實踐經驗表明:SMM的半衰期特性可以作為麥汁煮沸過程反應速度和主要組成的代表參數。這樣,可以在與常壓煮沸相比較的基礎上,計算出帶壓煮沸需要的時間。

      在溫度不變的情況下,SMM分解按一次方程進行。SMM的半衰期與溫度的關系:

      常溫煮沸:100℃×90min

      低壓煮沸:預煮沸10min、升壓15min、保壓階段、卸壓15min、后煮沸10min

      根據計算,可以發現隨著煮沸溫度的提高,SMM達到相同程度分解所需高溫時間大大減少(見表2)。因為在煮沸溫度105℃、107℃、109℃、111℃、113℃下SMM分解速度分別是100℃下SMM分解速度的1.78、2.24、2.82、3.52、4.47倍(τ100℃/τ=e(T-100)K)。

      2.最小蒸發量問題

      最小蒸發量的確定,以DMS+SMM作為指示值。

      從理論上來說,低壓煮沸與常壓煮沸相比,高溫煮沸使SMM更加有效地分解成DMS,高溫煮沸結束后麥汁中殘留的SMM較少,在沉淀槽中由SMM繼續分解產生的DMS量也應該較少;最終麥汁中DMS的濃度受SMM分解速度與DMS揮發速度的共同影響,DMS的揮發速度受蒸發強度的影響,因此在煮沸程序中強烈的后煮沸階段對于排除DMS等異味物質是必不可少的。與常壓煮沸相比,低壓煮沸的卸壓階段更加有有利于DMS等揮發性物質的蒸發。

      據報道,低壓煮沸試驗106℃,時間15min(煮沸程序包含10min的預煮沸和20min的后煮沸),蒸發量5%;常壓煮沸100℃,時間90min,蒸發量14%。兩者相比,煮沸結束時前者SMM含量是后者的一半,DMS含量也明顯少于后者,冷麥汁中DMS含量是常壓煮沸的一半。這證明了低的蒸發量并不限制揮發性物質的去除。

      最小的蒸發量取決于:煮沸鍋的形狀、加熱面、蒸發面積、液體流動、蒸汽的排出和冷凝水的回流等因素,因為這些因素影響著蛋白質的凝固、DMS的揮發。每個系統的最小蒸發量應根據實際情況而定,原則是保證麥汁質量(包括總氮、可凝固氮、總多酚物質、色度、總風味物質、α—酸的利用、HMF、SMM、DMS等指標)不能下降。

      一套設計合理的低壓煮沸系統,應該是最大程度的節能與最小程度影響質量的組合。

      (三)   美拉德反應與麥汁熱損傷

      美拉德反應(Millard reaction)是指麥汁中的糖(己糖或戊糖)和麥汁中的氨基酸、二肽、三肽等經一系列高溫反應產生類黑精。類黑精具有香味和著色力,是啤酒香味和色度的主要來源。美拉德反應開始于麥芽干燥,在麥汁煮沸時又得到加強。己糖或戊糖的游離羰基與低分子含N物質的氨基反應,生成雜環環狀結構的N-代葡基胺,此物質進行Amadori重排形成烯醇式或酮式化合物,此種物質遇熱不穩定,在加熱條件下發生脫水或分解反應而形成3-脫氧己糖或3-脫氧戊糖。前者在水解條件下形成5-羥甲基糠醛或5-羥基糠醛,后者經過一系列的中間產物而形成4-羥基-5-甲基-3(2H)-呋喃,這些物質與氨基酸反應,經許多步驟而形成類黑精。美拉德反應的中間產物還包括許多N-雜環化合物,如:吡嗪、吡啶、噻唑、呋喃等,這些物質產生于麥芽焙燥和麥汁煮沸中,也存在于老化的啤酒中。這些N-雜環化合物具有焦香味,是啤酒的風味物質。制麥過程或糖化過程中較高的熱負荷會促使美拉德反應的產物大量產生,從而損害啤酒的口味及風味穩定性。這些物質雖然在發酵過程中能部分地減少,但在啤酒巴氏滅菌或不適宜的貯存溫度下還會由其前驅重新生成。

      氨基酸的Strecker降解是指美拉德反應過程中所形成的二羰基化合物與氨基酸反應,產生比原氨基酸少一個碳原子的醛,如:甘氨酸的產物為甲醛,丙氨酸的產物為乙醛,纈氨酸的產物為異丁醛,亮氨酸的產物為異戊醛。這些醛類部分隨二次蒸汽揮發,部分殘留于麥汁中,這些短鏈的醛類本身無氧化味,但可以通過醇醛縮合轉化為長鏈不飽和醛類產生氧化味。

      類黑精反應所產生大量的著色物質占整個釀酒造過程中著色反應物質的大部分。這種反應是不可逆的,并且類黑精在發酵中也不能被分離而脫色。當然,麥汁的著色并不僅僅由美拉德反應引起,也由于麥芽和酒花的多酚物質的氧化。

      現在已經證實,羰基類化合物是影響風味的最主要的化合物,在啤酒中已知的羰基化合物有98種(51種醛,47種酮),隨著鏈長的增加,羰基化合物具有老化風味,其識別閾值為ppm級甚至ppb級,啤酒老化以后,羰基化合物的含量明顯超過其識別閾值。羰基化合物,除乙醛、雙乙酰等物質外,長鏈的不飽和的醛是風味老化最重要的物質群,如壬烯醛、羥甲基糠醛在老化啤酒中具有紙板味,還有一些類似于壬烯醛的另一些醛(2-庚烯醛、2-辛烯醛),對風味老化的影響尚不清楚,但可以肯定它們在啤酒老化過程中也起著重要作用。反-2-壬烯醛是由麥芽中的不飽和脂肪酸氧化產生的,在麥汁煮沸過程中反-2-壬烯醛被自發氧化成戊醛、已醛、庚醛、辛醛,這些醛類在煮沸和發酵過程中能被還原成相應的醇。這些高級醛(C5~C8)和高級醇(C5~C8)在麥汁煮沸階段必須被除去。因為在氨基酸存在的條件下,飽和醛可以經過醇醛縮合轉化為長鏈不飽和醛,從而影響啤酒的風味,并使啤酒容易老化。同時,它們能在發酵中進一步轉變為酯類影響啤酒的風味,如圖1所示。

      總而言之,麥汁煮沸促進了這些芳香物質的形成,這些芳香物質是啤酒必不可少的風味物質。但過分的煮沸時間或強烈的熱負荷,促使這些物質的大量產生,就會損害啤酒的口味,同時也使色度大幅度地上升。啤酒的“煮沸味道”、“麥皮味”也與這類物質相關,熱負荷(總的熱處理效應)過高還會導致啤酒泡沫性能差。

      TBA法(丙二酰硫脲試驗法)可以測定麥汁在加工中所受的熱損傷,TBA被認為主要與5-羥甲基糠醛HMF起反應。

      低壓煮沸由于采用了較高的煮沸溫度,如果煮沸時間過長容易產生熱損傷。表3反映了不同的煮沸溫度,相同的處理時間與常規煮沸相比較的結果。從表中可以看出,低壓煮沸的麥汁苦味值都高于常規煮沸,麥汁中的可凝固氮、SMM、DMS也低于常規煮沸;在106℃和108℃處理時,麥汁的TBA值略低于常規處理,在110℃和112℃處理時,麥汁的TBA值高于常規處理。TBA值高表明麥汁的熱損傷大,在麥汁中產生了較高水平的羰基化合物,而它們能造成異味并導致啤酒容易老化。麥汁的色度也反映了麥汁的熱損傷情況。

      除了煮沸溫度高、煮沸時間長會使麥汁產生熱損傷處,低壓煮沸過程中的局部過熱也會產生熱損傷。

      局部過熱的形成因素:

      1.加熱介質溫度過高;

      2.麥汁加熱使用內加熱器加熱時,溫差過大;

      3.麥汁在鍋內對流不好,麥汁溫度不均勻;

      4.麥汁循環不夠,麥汁通過加熱器時流速太慢;

      5.加熱面結垢,傳熱效果差。

      因此,為了保證低壓煮沸不影響啤酒的質量,必須合理選擇煮沸溫度和煮沸時間,同時,要防止局部熱,避免煮沸過程中熱負荷過高使麥汁產生熱損傷。

      三、低壓煮沸設備

      圖2是我廠改造后的帶強制循環的內加熱器低壓煮沸系統的示意圖。

      麥汁從煮沸鍋的底部通過麥汁循環泵,穿過安裝在煮沸鍋內的列管式加熱器中的列管而被加熱向上沸騰,蒸汽被冷凝。在加熱器的上方安裝傘形分布罩,使上升的麥汁射向四周,同時避免泡沫的形成。

      二次蒸汽可以通過二次蒸汽冷凝器回收熱能。在冷凝器中二次蒸汽穿過中間有水流動的列管,水被升溫。二次蒸汽將熱量傳遞給水后自身冷凝下來。二次蒸汽可以通過一級或二級冷卻,得到高溫水。如果進行二級冷卻,則第一級可將熱水加熱成高溫水,第二級冷卻則可將冷水加熱成熱水。由于熱水產生量較大,超過生產需求,所以我廠使用一級冷卻。

      換熱面積:1.3~1.4m2/m3麥汁,較大的換熱面積,可以利用較低的蒸汽溫度,降低傳熱面的溫差,防止熱損傷;

      材料:不銹鋼;

      結構:內加熱器設置雙傘形罩或平面罩,利用表面蒸發作用促進異味排出;

      清洗:定期有效地進行CIP清洗程序,去除加熱器表面積垢,提高傳熱效果,防止局部過熱;

      循環:通過一個大流量低揚程的麥汁循環泵使鍋內麥汁循環7~17次/小時;

      開口煮沸:有一可控制的排汽閥門,可控制二汽蒸汽的回收與否;

      該系統待改造項目:

      利用熱能貯罐的高溫水,通過換熱器對來自麥汁貯罐的麥汁進行加熱后,再通過內加熱器進行麥汁煮沸。作用:一方面,節約能量;另一方面:減少麥汁加熱期間因溫差過大產生的熱損傷。

      麥汁煮沸結束后,采用真空蒸發。作用:加強麥汁中異味物質的揮發。

      麥汁煮沸期間,從鍋底鼓入N2,促進蒸發。作用:加強麥汁中異味物質的揮發。

      四、低壓煮沸工藝

      (一)   工藝流程

      常壓預煮沸10min

      10~15min內將煮沸溫度升至106~108℃

      低壓煮沸106~108℃20min

      卸壓15~20min

      常壓后煮沸10min

      預煮沸和強烈后煮沸階段是必須的,以便蒸發和除去揮發性異味物質,對除去揮發性物質來說,強烈的后煮沸階段比預煮沸階段更加有效。

      (二)煮沸工藝要點

      1.最小蒸發量控制:6%?;旌消溨瓭舛?.50BX,最終麥汁濃度10.10BX。

      2.pH值控制:麥汁煮沸理想pH=5.2。較低的pH可以促進蛋白質凝聚;美拉德反應不充分,色度上升幅度??;酒花苦味細膩柔和。由于投料水硬度偏高,麥汁pH在5.4~5.6。

      3.酒花添加:添加總量為麥汁的0.6‰。分兩次添加:第一次在預煮沸的開始,添加總量的60%;第二次在強烈后煮沸的開始,添加總量的40%;

      4.麥汁澄清劑:有效成分是鹿角藻聚糖(卡拉膠),有助于熱凝固物的絮凝沉淀,麥汁冷卻后,對一些極微小的冷凝固物粒子(<2μm)也可以排除,可顯著改善啤酒的過濾性能及非生物穩定性。添加量20~30 mg/L。

      5.Ca++添加:麥汁中含有80~100mg/L Ca++,可以沉淀來自麥芽中的草酸;增酸作用;促進蛋白質凝聚;促進酵母凝聚。

      6.Zn++添加:Zn++是酵母生長必需的無機離子,當麥汁中含有0.1~0.3mg/L Zn++時,酵母生長旺盛,發酵力強。但Zn++添加過量會引起發酵異常,發酵前期快后期慢。

      7.外循環控制:煮沸過程中,利于麥汁循環泵,促進鍋內麥汁循環。循環泵轉速不宜太快,否則會打碎已析出的大顆粒蛋白質沉淀,造成回旋沉淀效果不好。

      8.洗糟殘水回收:由于低壓煮沸的蒸發量較小,混合麥汁濃度較高,洗糟殘水不回收會使糖化收率下降。

      (三)煮沸鍋的清洗

      1.加熱器表面垢層性質

      煮沸鍋內加熱器的表面的垢層比較復雜:

      糖的焦化形成的垢層;

      蛋白質變性、凝固形成的垢層;

      酒花樹脂氧化聚合形成的垢層;

      來自麥芽、酒花的草酸根形成的草酸鈣垢層;

      來自麥芽的磷酸根形成的磷酸鈣垢層;

      投料水中暫時硬度太高,加熱形成的碳酸鈣垢層;

      糖在加熱器表面由于局部過熱炭化形成的垢層,特別緊密,粘著力強。而水垢和糖焦化復合形成的垢層,其強度更大。

      2.煮沸鍋CIP程序

      CIP程序的效果取決于:洗滌劑的種類、洗滌劑的濃度、洗滌溫度、洗滌時間和物理作用力。

      煮沸鍋CIP程序如下:

      熱水沖洗

      堿液沖洗        85℃  3~5% NaOH

      酸液沖洗        60℃  0.5% HNO3

      最后沖洗

      3.煮沸鍋CIP頻次

      堿洗程序每糖化20批次進行一次;酸洗程序每半月或每月進行一次。

      五、低壓煮沸與常規煮沸對比

      (一) 經濟性比較

      計算依據:

      120P麥汁的密度:ρ=1048Kg/m3

      比熱:c=4KJ/Kg · K

      100℃水蒸發耗能:2260KJ/Kg

      鍋爐熱效率:     81.6%

      糖化熱效率:     65%

      標煤熱值:      7000Kcal/Kg=29308KJ/Kg

      表4中計算的是煮沸鍋總的耗能,包括麥汁加熱和麥汁煮沸兩部分,如果不計麥汁加熱部分,低壓煮沸與常規煮沸相比,可節能50%左右??紤]到二次蒸汽回收的熱能,其節能量可達60~70%。

      每鍋產熱麥汁660HL,每年按1000鍋計算,可節約標煤1000×660×0.8871/1000=585T

      由此可見,與常規煮沸相比,采用低壓煮沸的節能量是非??捎^的。

      (二)質量比較

      通過低壓煮沸與常規煮沸所生產的麥汁、啤酒的理化指標比較,發現低壓煮沸與常規煮沸相比,色度、可凝固氮有明顯降低,啤酒的保質期由16周增加至24周,其它指標無太大差別(見表5),可見低壓煮沸不會降低啤酒的質量。

      低壓煮沸生產的個別批次啤酒會出現煮沸味道,可能與麥汁煮沸過程中麥汁局部過熱或蒸發量過低有關。

      六、 結論

      低壓煮沸與常規煮沸相比,麥汁煮沸可節能50%以上。在質量方面,可以顯著降低啤酒的色度,并且提高啤酒的保質期。為了保證啤酒的風味不受影響,必須正確地選擇煮沸的溫度和時間,避免煮沸過程中過高的熱負荷,同時必須滿足一定的蒸發量(不低于5%)。

      【參考文獻】

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      4.[德]Wolfgang kunze 著,湖北啤酒學校翻譯組 譯《啤酒工業實用技術》,中國輕工業出版社,1998

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      6.William A. Hardwick Ph.D.,Handbook of Brewing ,Marcel Dekker ,inc. 1994

      注:本文曾發表在《啤酒科技》1999年第4期。

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