Двухступенчатое озонирование в технологии очистки диффузионного сока

Двухступенчатое озонирование в технологии очистки диффузионного сока. Для очистки соков свеклосахарного про­изводства в качестве основных реагентов используют известь и диоксид углерода.

Один из путей совершенствования техно­логии очистки сахарсодержащих раство­ров — использование окислителей как до­полнительных реагентов очистки с целью повышения показателей качества получае­мых продуктов, а также снижения расхода извести и диоксида углерода [3]. Вместе с тем одна из проблем развития современных технологий — проблема эко­логии.

Применение различных химических препаратов на всех стадиях производства приводит к постепенному их накоплению в окружающей среде и в конечном счете к отрицательному воздействию на качество продукции [1]. Озон как естественное природное ве­щество с этой точки зрения экологически безопасен.

Он не накапливается в окружа­ющей среде, активно вступает в реакции с различными группами соединений и бы­стро разлагается на молекулярный и ато­марный кислород.

Продукты реакций озо­на, в основном окислы, также не являются токсичными или вредными соединениями, как, например, большинство хлороргани-ческих соединений, при этом данный окис­литель способен разлагать такие вещества, как пестициды и другие химикаты, до бо­лее безопасных форм [2]. По действию на живые объекты озон может проявлять как стимулирующую, так и биоцидную направленность, а также способен замед­лять процессы метаболизма живой клетки.

Ранее нами были проведены иссле­дования воздействия озонирования на качественные показатели очистки при об­работке сока основной дефекации. Опыты проводили по классической известково-углекислотной схеме с включением эле­мента озонирования. Установлено, что це­лесообразно проведение комбинированной очистки диффузионного сока с применени­ем озона при температуре 80 С, его кон­центрации в озоно-воздушной смеси 7 г/м^ и расходе 3,25 м^ смеси на 1 м3 сока [5, 6]. Такая одноступенчатая обработка не позволяет в полной мере удалить крася­щие вещества, поскольку в процессе даль­нейшей очистки образуются новые темно-окрашенные соединения, а также другие растворимые несахара.

В связи с этим проведены исследования по разработке способа очистки диффузионного сока с использованием двукратного введения озона: на горячей ступени основной де­фекации и на дополнительной дефекации перед II сатурацией. Предусмотренное количество озоно-воз­душной смеси 0,5-3,0 м3 на I м3 сока с кон­центрацией в ней озона 3-10 г/м^ делили на две равные части и подавали на горячую ступень основной дефекации и на дополни­тельную дефекацию перед II сатурацией.

Диффузионный сок направляли на прогрессивную преддефекацию до рН 10,8-11,2 при температуре 54 56 °С, комбинированную основную дефекацию с расходом извести 2,0-2,5 % к массе сока, в процессе проведения горячей ступени основной дефекации сок обрабатывали одной частью диспергированной озоно-воздушной смеси. Далее осуществляли I сатурацию при температуре 85 90 °С до конечного значения рН 10,8-11,2, отделе­ние осадка путем фильтрования, дефека­цию перед II сатурацией продолжительнос­тью 4-6 мин при температуре 80 85 °С и расходе извести 0,2-0,3 % к массе сока. В процессе дефекации перед II сатурацией сок обрабатывали второй частью дисперги­рованной озоно-воздушной смеси.

Далее проводили II сатурацию при температу­ре 85 90 °С до конечного значения рН 9,0-9,5 и отделение осадка путем филь­трования.

Полученный сок анализирова­ли. Результаты представлены в таблице. Способ проведения очишенного сока Показатели очишенного сока Чистота % Цветность усл. Ед. Эффект очистке, % Предолженный 91,37 12,41 38,96 Типовой 90,42 15,94 31,53 Примечание. Чистота диффузионного сока 86,6%. При обработке сока озоно-воздушной смесью в процессе основной дефекации происходит интенсивное разложение мо­носахаридов, продукты распада которых в щелочной среде окисляются с образова­нием постоянных бесцветных соединений вместо того, чтобы конденсироваться в вы­сокомолекулярные красяище вещества.

Но процессы образования красящих веществ активно продолжаются в щелочной среде на дефекации перед II сатурацией, что при­водит к снижению эффекта, достигнутого при озонировании. Эту проблему позволя­ет избежать обработка сока озоном в две ступени: в процессе основной дефекации и в процессе дефекации перед II сатураци­ей. Таким образом, снижается цветность и предотвращается ее образование не только на основной дефекации, но и на дефекации перед II сатурацией [4]. Озонирование сока в процессе основ­ной дефекации неразрывно связано с воз­действием окислителя на значительную массу осадка, в связи с этим дополни­тельное количество озона расходуется на окисление органической части коагулята.

В результате происходит пептизация осаж­денной массы и часть несахаров перехоз^т обратно в раствор, снижая чистоту сока. Двухступенчатая обработка озоно-воз­душной смесью позволяет снизить объем продуваемого газа на основной дефекации, что сопровождается более низкой степе­нью пептизации несахаров.

На второй ступени, при озонировании в процессе де­фекации перед II сатурацией, происходит дополнительное окисление несахаров с образованием сложных промежуточных соединений, которые в процессе II сатура­ции адсорбируются на осадке карбоната кальция, повышая чистоту сока. Таким образом, комбинированная очистка диффузионного сока с обработ­кой сока озоном в две ступени достаточно эффективна, так как при этом повышается эффект очистки на 7,4 %. Предложенный способ обеспечивает увеличение чистоты очищенного сока на 0,95 %, снижение его цветности на 22,1 % по сравнению с клас­сической схемой очистки. Влияние озонирования дефекованного сока на качественные оказатели очищенного сока Применение окислителей в процессе очистки сахарсодержащих растворов приводит к значительному ингибирова-нию реакций образования темноокрашен-ных соединений и снижению цветности продуктов превращения редуцирующих веществ [4-6]. Результаты исследований воздействия окислителей и восстанови­телей на отдельные группы красящих ве­ществ также свидетельствуют о преиму­ществе окислителей в области обесцвечи­вания сахарсодержащих растворов [2]. В данной работе проведено исследо­вание процесса озонирования в услови­ях очистки диффузионного сока, в част­ности на этапе дефекации перед II сату­рацией.

Определяли влияние обработки озоном на чистоту, цветность, массовые доли солей кальция и редуцирующих ве­ществ очищенного сока. Опыты проводили следующим об­разом.

Диффузионный сок направляли на прогрессивную преддефекацию до рН 10,8-11,2 при температуре 54 56 °С, комбинированную основную дефекацию с расходом извести 2,0-2,5 % к массе сока. Далее осуществляли I сатурацию при температуре 85 90 °С, конечное значение рН 10,8-11,2, отделение осадка путем фильтрования, дефекацию перед II сатурацией продолжительнос­тью 4-6 мин при температуре 80 85 °С и расходе извести 0,2-0,3 % к массе сока. В процессе дефекации перед II сатурацией сок обрабатывали озоно-воздушной смесью при температуре 60 100 °С с расходом озоно-воздушной смеси 0,5-6,0 м3/м3 сока и концентра­цией в ней озона 2-12 г/м3. Далее про­водили II сатурацию при температуре 85 90 °С до конечного значения рН 9,0-9,5 и отделение осадка путем филь­трования.

Результаты анализа очищен­ного сока представлены на рис. 1-4. Из представленных графиков видно, что рациональные условия обработки озоном дефекованного сока следующие: температура 85 °С, расход озоно-воз-душной смеси 4,5 м3/м3 сока, концен­трация озона 10 г/м3. Насыщение полупродуктов озоном в процессе очистки диффузионного сока осуществляется с целью инициа­лизации протекания дополнительных химических реакций, в результате кото­рых происходит окисление целого ряда несахаров, сопровождающееся их рас­падом.

Продукты распада, а также обра­зовавшиеся промежуточные соединения впоследствии способны адсорбироваться на карбонате кальция.

Некоторые соеди­нения (например, гуминовые вещества) окисляются до диоксида углерода и воды [3]. При этом наблюдаются повышение чистоты и скорости седиментации, сни­жение фильтрационного коэффициента и цветности очищенного сока. Озон обладает большой избыточной^, энергией молекулы (24 ккал/моль). При осуществлении технологических опера­ций он легко взаимодействует с вещества­ми щелочного характера, фенолсодержа-щими соединениями, макромолекулами белков, высокомолекулярными соедине­ниями и др что в большинстве случаев сопровождается их деструкцией и адсорб­цией продуктов реакций на карбонате кальция. При этом снижается цветность и повышается эффективность удаления несахаров из очищенного сока [1]. В связи с высоким окислительным по­тенциалом молекулярного озона при об­работке дефекованного сока происходит интенсивное разложение моносахари­дов, продукты разложения которых в ще­лочной среде окисляются с образовани­ем устойчивых бесцветных соединений, что предотвращает цветообразование.

Насыщение озоном промежуточных продуктов сахарного производства при­водит к значительному снижению ин­тенсивности их окраски, что объясня­ется воздействием растворенного озона на присутствующие в реакционной среде молекулы красящих веществ.

При этом происходят окисление высокомолеку­лярных соединений и разрыв двойных связей углеродного скелета, чем и обу­словлено снижение цветности и вязко­сти сахарсодержащего раствора.

В результате пониженной устойчиво­сти несахаров в сильнощелочной среде с увеличением щелочности наблюдается интенсификация процессов окисления и разложения несахаров под действием озона. Образующиеся при этом озони-ды и молозониды могут реагировать с Са(0Н)2 с образованием нетоксичных соединений в виде осадка.

С повышением температуры сока рас­творимость озона в нём уменьшается, но, как известно, увеличивается скорость химических реакций и соответственно скорость взаимодействия озона с неса-харами, поэтому при увеличении темпе­ратуры процесса до 80 °С происходит интенсификация разложения и удаления не-сахаров.

Повышение температуры выше 80 °С приводит к увеличению цветности и снижению эффекта очистки за счет значительного снижения растворимости озона в реакционной среде, хотя скорость химических реакций при этом достаточно высокая. Повышение концентрации или рас­хода озоно-воздушной смеси выше экс­периментально установленных значений практически не вызывает изменения по­казателей качества очистки диффузион­ного сока, к тому же при этом снижается коэффициент утилизации озона и значи­тельно увеличиваются энергетические за­траты.

Следовательно, проводить очистку при таких параметрах нецелесообразно. Состав летучих компонентов безалкогольного пива, полученного в процессе аэрации Для производства безалкогольного пива существует ряд побуждающих при­чин: все шире пропагандируется здоровый образ жизни; потребителями такого пива могут стать водители, которым не при­дется бояться негативных последствий; религиозные причины, накладывающие запрет на потребление алкоголя. В настоящее время существует ряд технологий производства безалкогольно­го пива, которые условно можно подраз­делить на две группы: технологии, по ко­торым подавляется процесс образования спирта, и технологии, где спирт удаляется из готового пива. В первой группе технологий исполь­зуют специальные штаммы дрожжей, не сбраживающие мальтозу в алкоголь (или сбраживающие в ограниченном объеме). Кроме того, при получении без­алкогольного пива предотвращается об­разование спирта вследствие понижения температуры брожения по достижении определенной степени сбраживания.

По этим технологиям производится пиво с высоким содержанием остаточных Са­харов и с преобладанием сладковатого привкуса.

На вкус такого пива влияет от­сутствие продуктов брожения. Данные сорта можно назвать скорее безалкоголь-пыми напитками, чем пивом. Во второй группе технологий алкоголь удаляется из готового пива одним из двух способов: термическим, когда алкоголь удаляется с помощью тепловой энергии с использо­ванием низкой точки кипения алкоголя; мембранным с помощью мембран с очень мелкими порами для удаления алкоголя за счет различия в размере молекул.

Данная работа посвящена разработ­ке технологии безалкогольного пива, основанной на ограничении образования этилового спирта за счет повышенной аэрации пивного сусла кислородом воздуха перед главным брожением. В результате происходит частичный перевод процесса брожения на процесс дыхания с последу­ющим увеличением биомассы дрожжей и уменьшением образования спирта.

В то же время из-за наличия некоторого количества в сусле несброженных Саха­ров наряду с процессом дыхания идет и процесс брожения, в результате кото­рого образуются вкусовые и ароматиче­ские веществ, обусловливающие букет зрелого пива. Известно, что во время брожения дрож­жи выделяют в пиво целый ряд продуктов метаболизма, которые претерпевают ко­личественные и качественные изменения, частично реагируя друг с другом. Побоч­ные продукты брожения имеют решающее значение для качества готового пива, по­этому их образование и расщепление нуж­но рассматривать вместе с метаболизмом дрожжей.

Это вещества, формирующие букет молодого пива (диацетил, альдеги­ды, сернистые соединения). Они придают пиву нечистый, зеленый, незрелый вкус и запах и при повышенной концентрации отрицательно влияют на качество пива, но в ходе брожения и созревания могут быть удалены из пива биохимическим пу­тем, в чем и состоит цель созревания пива. Вторая группа — вещества, формирующее букет готового пива (высшие спирты, эфи-ры). Они в значительной мере определяют аромат пива: их наличие в определенной концентрации служит предпосылкой для получения качественного пива. Эти вещества в отличие от первой группы не могут быть удалены из пива технологи­ческим путем. Образование побочных продуктов брожения и синтез запасных веществ дрожжей зависят от словий процесса.

Значительное влияние оказывает азотный обмен дрожжей и скорость размножения.

Некоторые продукты (например, пируват) накапливаются при размножении, дру­гие (ацетат) — когда дрожжевые клетки не растут. Так как на построение биомас­сы дрожжей используется часть энергии, полученной от брожения, то изменение степени роста означает, что больше или меньше энергии может быть исполь­зовано для синтеза побочных продуктов брожения. Например, при стимулирова­нии роста дрожжей образуется меньше эфиров и больше высших спиртов [1]. Образующиеся при брожении лету­чие вещества принадлежат к различным группам химических соединений: высшие спирты, летучие кислоты, эфиры, альде­гиды и их производные, серосодержащие вещества.

Пируват и ацетальдегид — важ­нейшие метаболиты дрожжей (их высокие концентрации создают неприятный букете и снижают качество пива). К концу глав­ного брожения содержание альдегидов повышается, затем оно снижается. Более высокая норма введения дрожжей, повы­шенная температура и брожение под дав­лением увеличивают образование альдеги­дов, перемешивание — уменьшает [1]. Образование высших спиртов тесно связано с нормой введения дрожжей, аэ­рацией и температурой.

Летучие вещества, в особенности диацетил и ацетальдегид, достигают мак­симальной концентрации при главном брожении. Кроме того, уже на первых стадиях брожения образуются заметные количества летучих органических и жир­ных кислот [1]. Дрожжи образуют в пиве органиче­ские кислоты — уксусную, пировино-градную, молочную, яблочную, лимон­ную и др которые присутствуют во всех сортах пива. Продолжительность производствен­ного цикла получения пива определяет­ся в основном длительностью процесса созревания.

Под созреванием пива под­разумевают облагораживание молодого пива, выражающееся в улучшении его вкуса и аромата. Достигается это раз­личными физическими и химическими реакциями, протекающими в пиве на ста­дии дображивания. Образуется много новых химических соединений, которых не было в молодом пиве и которые влия­ют на органолептические свойства пива. Из дрожжевых клеток выделяются ком­поненты, придающие готовому продукту определенные консистенцию и вкус. В ре­зультате всех процессов устанавливается равновесие между различными аромати­ческими компонентами [1]. Природа созревания пива очень слож­на. Несомненно, что при выдержке пива происходит эфирообразование. При созревании пива в нем снижается количество побочных продуктов, придаю­щих ему вкус и аромат незрелого пива. Среди составных веществ пива огром­ную роль в создании характерного аро­мата и вкуса играют летучие вещества.

Однако концентрации их должны быть ниже определенного уровня.

Если этого нет, то отдельные летучие соединения или группы их могут доминировать и раз­рушать гармоничность вкуса. По-видимо­му, нет определенного вещества, которое занимало бы ведущее место среди арома- тических компонентов пива. В настоящее время выделено и идентифицировано боль­шое число индивидуальных ароматических компонентов пива. По влиянию на аромат пива их можно расположить в следующей последовательности: эфиры, диацетил, кислоты, высшие спирты.

Другие авторы [1] на первое место ставят диацетил. Кро­ме того, на аромат пива большое влияние оказывают сернистые соединения. Пивные дрожжи большей частью образуют одина­ковые ароматические вещества, однако у разных штаммов количество их значи­тельно колеблется. Это особенно проявля­ется в образовании эфиров дрожжами. Не вызывает сомнения, что аэрация усиливает образование ацетальдегида, активируя весь процесс брожения.

Имеют­ся экспериментальные данные о высокой концентрации ацетальдегида после броже­ния более аэрированного сусла, чем после сбраживания менее аэрированного. Аэрация сусла, в частности горячего, способствует удалению Н28 и ЗОз, но мо­жет увеличить концентрацию диметил-сульфида[1]. Аэрация не увеличивает содержа­ние диацетила в пиве, но повышает ак­тивность дрожжей, поэтому на ранних стадиях брожения образуется больше ацетолактата. Это может отрицательно повлиять на количество диацетила в пиве, а следовательно, на качество пива. При недостатке кислорода сбражива­ние экстракта замедляется, что также может привести к высокому содержанию диацетила в пиве [1]. Основные потребительские свойства пива — его вкус и аромат, которые зависят от содержания различных, в большей степени летучих соединений, образую­щихся в процессе брожения и созревания пива. Незначительное содержание этих соединений не дает возможности опреде­лить их с помощью химических методов.

Сложность состава и микроконцентрация компонентов позволяют применять мето­ды физико-химического анализа, из них наиболее объективный для идентифика­ции компонентов — метод газожидкост­ной хроматографии [2]. Цель работы — исследование состава летучих продуктов, образующихся при брожении и дображивании пива, обеспечи­вающих его вкус и аромат при получении безалкогольного пива с использованием аэрации сусла кислородом воздуха.

В задачи исследований входило: опре­деление оптимальных параметров про­цесса хроматографии для исследования качественного состава летучих компо­нентов; определение времени выхода чи­стых летучих компонентов; исследование процессов брожения и дображивания при получении безалкогольного пива при по­мощи аэрации сусла кислородом воздуха; исследование образцов готового безалко­гольного пива и проведение сравнитель­ного анализа результатов.

Показатель Значение Материал колонки, м Сталь Длинна колонки, м 3,0 Внутренний диаметр колонки, мм 2,0 Твердый носитель неподвижной фазы Chromaton N-AW-HMDS Неподвижная жидкая фаза Carbowax-300 Концентрация НЖФ на твердом носителе,% 15 Объем пробы, мкл 0.5-10.0 Температура термостата колонки,ºС 60 Температура испарения, ºС 200 Температура детектора, ºС 200 Расход газа-носителя, см3/мин-1 20 Расход газов для пламенно-ионизационного детектора, см3/мин-1: Водород 30 Воздух 300 Приготовленное сусло до задачи дрож­жей аэрировали кислородом воздуха до следующих концентраций: в контроль­ном образце — 6-8 мг/дм3 в опытном образце — 40-45 мг/дм3 [3, 4, 5]. Для насыщения сусла кислородом ис­пользовали экспериментальную установ­ку, состоящую из кислородного баллона, редуктора с манометрами, трубки, гермегимески соединяющей баллон с сосудом, ишюлненным пивным суслом (рис. 1). В аэрированное сусло добавляли дрожжи с нормой задачи 20 млн кл./см3 и проводили брожение и дображивание 110 классической технологии.

Для определения летучих компонен­тов в процессе работы был применен газохроматографический анализ (надосадочная колонка), при котором соблюдались определенные параметры хроматографии, оптимальные для максимального разделе­ния смеси (табл. 1). Количественную обработку хроматограмм производили вручную, т.е. после определения площадей пиков на хрома-тограмме рассчитывали концентрации компонентов в анализируемом образце Сi(мг/дм3)без введения калибровочного множителя где Рi, РСТ — измеряемые параметры хроматографических пиков интересу­ющего и стандартного веществ (пло-щади); fi — калибровочный множитель для определяемого соединения относи­тельно стандартного вещества, fi= 1; qст, qсм — количества стандартного вещества и анализируемой смеси, ото­бранные и смешанные для анализа.

До анализа дистиллята пива провели идентификацию летучих компонентов, которые в пиве выявляют следующим об­разом: определяют время выхода чистых летучих компонентов и сравнивают с пи­ками на хроматограммах.

Изданных, представленных на рис. 2-7, можно сделать