ДИНАМИКА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЛЕТУЧИХ КОМПОНЕНТОВ ПРИ ДИСТИЛЛЯЦИИ СБРОЖЕННОГО СУСЛА ИЗ ВОЗВРАТНЫХ ОТХОДОВ ХЛЕБОПЕКАРНОГО ПРОИЗВОДСТВА Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

05.18.01 - Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства (технические науки) DOI: 10.25712^Ш2072-8921.2019.02.003 УДК 664.66.002.68

ДИНАМИКА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЛЕТУЧИХ КОМПОНЕНТОВ ПРИ ДИСТИЛЛЯЦИИ СБРОЖЕННОГО СУСЛА ИЗ ВОЗВРАТНЫХ ОТХОДОВ ХЛЕБОПЕКАРНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Л.А. Оганесянц, Л.Н. Крикунова, Е.В. Дубинина

Актуальность исследований состоит в разработке альтернативного способа использования возвратных отходов хлебопекарного производства в качестве нового перспективного сырья для производства спиртных напитков на основе дистиллятов. Работа посвящена изучению влияния скорости дистилляции сброженного сусла из возвратных отходов хлебопекарного производства на динамику распределения основных летучих компонентов и выход дистиллята. В качестве объектов исследования использованы фракции дистиллята, выделенные в процессе однократной фракционированной дистилляции сброженного сусла из возвратных отходов хлебопекарного производства на установке прямой сгонки. Массовую концентрацию основных летучих компонентов во фракциях дистиллята определяли методом газовой хроматографии. Установлено, что дистилляция сброженного сусла из возвратных отходов хлебопекарного производства проходит при высокой концентрации этанола на всем протяжении процесса с резким снижением в хвостовой фракции. Кроме того, отличительной особенностью фракций дистиллята, полученного из данного вида сырья, является присутствие в составе летучих компонентов метанола в следовых концентрациях. Установлено, что скорость дистилляции сброженного сусла из возвратных отходов хлебопекарного производства оказывает существенное влияние на динамику распределения основных летучих компонентов и выход дистиллята по безводному спирту. При оптимальной скорости дистилляции повышается выход безводного спирта, в среднем, на 4 % и снижаются потери ценных арома-тобразующих летучих компонентов с головной и хвостовой фракциями. Рекомендовано проведение процесса дистилляции данного вида сырья при средней или минимальной скоростях.

Ключевые слова: возвратные отходы хлебопекарного производства, фракционированная дистилляция, ацетальдегид, этилацетат, энантовые эфиры, 1-пропанол, изобутанол, изо-амилол, скорость дистилляции, выход безводного спирта.

Среди приоритетных направлений развития науки в области производства пищевых продуктов в мировой практике и в нашей стране выделяются исследования, посвященные рациональному использованию сырьевых ресурсов при одновременном решении экологических проблем. Рациональное использование сырьевых ресурсов подразумевает, в первую очередь, создание технологий замкнутого цикла, либо применение образующихся отходов в качестве сырья в смежных отраслях пищевой промышленности.

В хлебопекарной отрасли отходы производства представляют собой брак, образующийся на хлебозаводе, а также нереализованную в торговой сети продукцию (возвратные отходы). Причиной брака в производстве, в большинстве случаев, являются несоответствие качества муки и (или) отклонение режимов технологического процесса на одном из этапов производства, хранения и транспортировки. Количество бракованный продукции может достигать более 2% от общей выработки. Кроме того, в последние годы сложилась негативная практика возврата крупными

сетевыми торговыми компаниями нереализованной продукции производителю. Доля возвращаемой продукции составляет около 10%, а в отдельные периоды может достигать и 20% от поставок. Зерновой баланс страны от этого ежегодно теряет около 3 миллионов тонн пшеницы и ржи. Хлебопекарной отрасли это обходится в среднем в 30 миллиардов рублей в год.

Традиционно производственный брак на хлебозаводах перерабатывается в сухарную муку (панировочные сухари) и хлебную крошку или мочку [1].

Мочка представляет собой смесь хлеба с водой или молочной сывороткой в соотношении 1:2, получаемую протиранием через сито с размером ячеек 5 мм, либо пропусканием через специализированную машину для ее переработки. Мочка используется при замесе теста и приготовлении жидкой закваски. Оптимальная дозировка зависит от вида изделия и составляет 2,5 - 10,0% к массе муки. Применение мочки запрещено при производстве хлеба из пшеничной муки 1 и высшего сортов. Допускается добавление до 2% к массе муки

тонкодисперсной гомогенной аэрированной мочки при производстве хлебобулочных изделий из муки 1 сорта [2].

Для получения продуктов длительного хранения (панировочных сухарей и хлебной крошки) бракованный и черствый пшеничный хлеб подвергают дроблению, сушке до определенной влажности и последующему измельчению. Использование сухарной крошки возможно в производстве хлеба из сортовой муки в количестве 1,0-1,5% к массе муки. Однако качество такого хлеба ниже, чем произведенного без применения возвратных отходов [2, 3].

В пищевой промышленности, а также на предприятиях общественного питания сухарная мука используется как адгезионный материал, добавляемый в производимую продукцию. Сухарная мука может также использоваться как сырье для создания новых продуктов длительного хранения и кондитерских изделий [3].

Одним из способов переработки возвратных отходов хлебопекарного производства является микробиологическая конверсия с целью получения углеводно-белковых кормовых добавок. При этом сложные полисахариды подвергаются гидролизу посредством комплексных ферментных препаратов с последующей биоконверсией в легкоусвояемый кормовой белок [2].

Возвратные отходы хлебопекарного производства имеют 5 класс опасности воздействия на окружающую среду [2, 4]. Неиспользованные на предприятии возвратные отходы хлебопекарного производства, в первую очередь - отходы ржано-пшеничного и ржаного хлеба, вывозятся на полигоны, что негативно сказываются на экологической обстановке, вызывая химическое и микробиологическое загрязнение окружающей среды.

Вместе с тем, специалистами ВНИИ-ПБиВП было показано, что возвратные отходы хлебопекарного производства являются полноценным сырьем в производстве дистиллятов и спиртных напитков на их основе [5]. Проведенные исследования позволили выявить особенности биохимического состава отдельных видов отходов и научно обосновать перспективы использования не только отходы из пшеничного хлеба, но и из ржано-пшеничного [6, 7].

Настоящая работа посвящена изучению влияния скорости дистилляции сброженного сусла из возвратных отходов хлебопекарного производства на динамику распределения ос-

новных летучих компонентов и выход дистиллята.

В качестве объектов исследования использованы фракции дистиллята, выделенные в процессе однократной фракционированной дистилляции сброженного сусла из возвратных отходов хлебопекарного производства на установке прямой сгонки Kothe Destillationstechnik (Германия). Вес сброженного сусла, загружаемого в куб дистилляцион-ной установки, составлял 10 кг. Процесс проводили в трех режимах с варьированием скорости дистилляции: быстрая (v=18,8 см3/мин), средняя (v=9,5 см3/мин), медленная (v=5,9 см3/мин). Фракционирование дистиллята осуществляли исходя из анализа крепости и орга-нолептических характеристик. При этом, объем первых семи фракций (Ф 1 - головная,

Ф 2.....Ф 7 - средние фракции) был одинаковым

для всех режимов дистилляции, не зависимо от образца сброженного сусла. А объем последней фракции Ф 8 (концевой) сильно варьировался в зависимости от использованного режима дистилляции.

В работе дистилляции подвергали образцы сброженного сусла (9 образцов), полученного из различных видов возвратных отходов по режимам, предусматривающим механико-ферментативный способ получения сусла с выдержкой при следующих паузах: 5055 оС; 70-75 оС, 95-98 оС, 56-58 оС, общая продолжительность процесса 3,0-3,5 часа; нормы задачи ферментных препаратов: разжижающего действия с мезофильной альфа-амилазой в количестве 0,5-1,0 ед.АС/г условного крахмала, гемицеллюлазного действия в количестве 0,1-0,2 ед.ЦС/г сырья, осахаривающего действия в количестве 6,0-8,0 ед.ГлС/г условного крахмала и протеолитического действия в количестве 0,01-0,02 ед.ПС/г белка, сбраживание при температуре 28-30 °С в течение трех суток с использованием сухих спиртовых дрожжей нескольких рас.

Во фракциях дистиллята определяли объем, объемную долю этилового спирта и массовую концентрацию основных летучих компонентов. Состав летучих компонентов определяли с использованием газовой хроматографии на приборе «Thermo Trace GC Ultra» (Thermo, США) по действующей методике [8].

В результате выполненных исследований выявлены широкие интервалы варьирования массовой концентрации (мг/дм3) отдельных альдегидов и сложных эфиров во всех фракциях дистиллята (Таблица 1).

Таблица 1 - Динамика распределение альдегидов и эфиров сброженного сусла из возвратных отходов хлебопекарного производства_

Фракция дистиллята Концентрация, мг/дм3

Ацетальдегид Этилацетат Энантовые эфиры

Ф1 2246-3308 1291-1997 27-64

Ф2 89-189 191-592 27-56

Ф3 59-80 43-115 27-49

Ф4 16-57 7-22 33-49

Ф5 12-21 3-7 43-73

Ф6 8-18 2-3 92-178

Ф7 4-16 1-3 65-108

Ф8 10-19 0-1 2-16

Это связано с различным биохимическим составом исходного сырья (переработка пшеничного хлеба, смеси из пшеничного и ржано-пшеничного хлеба), особенностями расы дрожжей, используемой для сбраживания (Fermiol, Turbo 24, Angel), а также с изменением скорости дистилляции. При этом, как свидетельствуют представленные в таблицах данные, наблюдались определенные тенденции в изменении массовых концентраций отдельных летучих компонентов. Так, для аце-тальдегида и этилацетата, независимо от скорости дистилляции, было характерно концентрирование в начальных фракциях Ф1 и Ф2. Напротив, компоненты энантового эфира, которые в данной работе представлены суммой этилкапрата, этилкаприната, этилкапроата, более равномерно распределяются по фракциям. Однако максимальная концентрация этих веществ была выявлена во фракциях Ф6, Ф7, то есть в конце отбора средней фракции. Данное поведение энантовых эфиров отличается от их распределения при получении коньячных и фруктовых дистиллятов [9].

Данные распределения основных высших спиртов по фракциям дистиллята, представленные в таблице 2, также свидетельствуют о довольно широком интервале варьирования массовых концентраций 1 -пропа-нола, изобутанола и изоамилола. Кроме того, установлено, что, в отличие от дистилляции

фруктового сырья, где высшие спирты концентрируются в начале и середине основного погона [10], при дистилляции сброженного сусла из возвратных отходов их концентрирование происходит в конце основного погона (фракции Ф6, Ф7). Данные особенности поведения высших спиртов, вероятно, обусловлены различной кинетикой перехода основного компонента - этилового спирта во фракции дистиллята. Как правило, при дистилляции сброженного фруктового сырья на установках прямой сгонки характерна максимальная концентрация этанола в головной фракции с постепенным ее снижением в средних фракциях [11, 12]. При дистилляции сброженного сусла из возвратных отходов хлебопекарного производства характерна высокая концентрация этанола практически на всем протяжении процесса с резким снижением в хвостовой фракции, что может быть связано с более низким общим содержанием летучих компонентов в образцах сброженного сусла, а также существенной разницей в активной и титруемой кислотности сред из фруктового и крахмалсо-держащего сырья. Кроме того, отличительной особенностью фракций дистиллята из данного вида сырья является практическое отсутствие в составе летучих компонентов метанола, концентрация которого в фруктовых дистиллятах может достигать 20-25 % от общего содержания летучих компонентов.

Таблица 2 - Динамика распределение высших спиртов сусла из возвратных отходов хлебопекарного производства_

Фракция дистиллята Концентрация, мг/дм3

1-пропанол Изобутанол Изоамилол

Ф1 133-230 319-696 239-774

Ф2 174-285 397-842 261-989

Ф3 220-329 531-957 455-1195

Ф4 272-340 688-924 694-1248

Ф5 373-464 1030-1255 1264-1908

Ф6 490-883 1600-2798 3136-7098

Ф7 501-716 1113-2027 5622-9501

Ф8 13-68 30-90 202-641

Многочисленными исследованиями в области коньячного производства доказано, что скорость дистилляции является значимым параметром и позволяет регулировать качество получаемых коньячных дистиллятов [10, 13]. Приведенные выше результаты исследований по динамике распределения основных летучих компонентов по фракциям показали, что процесс дистилляции сброженного сусла из возвратных отходов хлебопекарного производства имеет существенные отличия от дистилляции виноматериалов или сброженного

фруктового сырья. В связи с этим исследование влияния скорости дистилляции на кинетику этанола и распределение летучих компонентов в процессе дистилляции сусла из данного вида крахмалсодержащего сырья является важным этапом при разработке технологии дистиллятов из возвратных отходов хлебопекарного производства.

Влияние скорости дистилляции на кинетику этанола (безводного спирта) представлено в таблице 3.

Таблица 3 - Влияние скорости дистилляции на распределение безводного спирта по фрак-

циям

Скорость дистилляции (и) Содержание б.с. во фраки ии, % от суммы б.с. во фракциях

Ф1 Ф2 Ф3 Ф4 Ф5 Ф6 Ф7 Ф8

Быстрая (I) 5,7 15,1 15,1 15,2 15,0 14,7 14,5 4,7

Средняя (II) 6,0 16,6 16,5 16,5 16,5 16,2 11,1 0,6

Медленная (III) 6,0 17,0 17,1 17,1 17,3 17,1 8,2 0,2

Установлено, что увеличение длительности термического воздействия на сброженное сусло в процессе дистилляции, обусловленное снижением скорости, приводит к относительному концентрированию безводного спирта во фракциях Ф 2 - Ф 6 при одновременном снижении его содержания во фракциях Ф 7, Ф 8. За счет этого выход дистиллята по безводному спирту в режиме быстрой дистилляции составил 89,6 %, а в режимах II и III этот показатель варьировался в пределах 93,4 -93,8 %. Таким образом, с позиции экономической оценки эффективности процесса при дистилляции сброженного сусла из возвратных отходов хлебопекарного производства можно рекомендовать среднюю скорость дистилляции.

Кроме выхода безводного спирта в процессе дистилляции, важное значение для про-

гнозирования качества получаемого дистиллята является исследование распределения основных летучих компонентов по фракциям. На основании данных массовой концентрации летучих компонентов во фракциях и объёма отдельных фракций было рассчитано относительное содержание ацетальдегида, этилаце-тата, 1-пропанола, изобутанола, изоамилола и энантового эфира в отдельных фракциях (% от суммарного содержания отдельных летучих компонентов во всех фракциях). Установлено (Таблица 4), что при снижении скорости дистилляции такие легколетучие компоненты, как ацетальдегид и этилацетат концентрируются в головной фракции в большей степени, чем при высокой скорости (режим I). Эти изменения в динамике распределения данных компонентов приводят к снижению их концентрации в средней фракции.

Таблица 4 - Влияние скорости дистилляции на распределение отдельных летучих компонентов по фракциям

Наименование летучего компонента и Содержание летучего компонента во фракциях, % от суммы во всех фракциях

Ф1 Ф2 Ф3 Ф4 Ф5 Ф6 Ф7 Ф8

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

I 73,5 12,8 5,3 1,4 1,1 0,6 0,8 4,5

Ацетальдегид II 80,3 8,0 5,2 1,4 1,1 1,0 1,4 1,6

III 80,8 7,8 5,6 1,7 1,3 1,2 1,1 0,5

I 49,9 37,0 10,2 1,4 0,6 0,2 0,1 0,6

Этилацетат II 67,4 24,9 5,6 0,9 0,4 0,3 0,3 0,2

III 64,5 27,8 5,5 1,0 0,6 0,4 0,2 -

I 3,1 9,5 11,0 10,6 13,6 16,4 23,9 11,9

1-пропанол II 2,4 7,8 9,9 12,2 16,7 28,4 22,5 0,1

III 2,9 9,9 11,7 12,9 17,9 33,2 11,3 0,2

Продолжение таблицы 4

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Изобутанол I 3,3 10,1 11,5 11,1 14,9 19,2 24,3 5,6

II 2,2 6,8 9,1 11,7 17,6 32,6 19,0 1,0

III 3,7 9,2 11,0 11,7 18,1 36,8 9,3 0,2

Изоамилол I 1,7 5,3 6,4 6,7 10,2 16,7 35,2 17,8

II 0,8 2,1 3,6 5,6 10,1 30,8 45,0 2,0

III 2,1 3,3 4,6 4,4 9,3 41,4 34,4 0,5

Энантовые эфиры I 4,7 11,6 10,2 10,2 15,1 20,0 21,0 7,2

II 7,8 8,2 8,2 10,2 13,1 28,1 20,0 4,4

III 6,0 5,7 6,6 7,1 10,4 38,7 23,5 2,0

Как видно из представленных данных, скорость дистилляции практически не влияет на относительное содержание высших спиртов в головной фракции (Ф 1). Вместе с тем, снижение скорости дистилляции позволяет максимально сконцентрировать 1-пропанол, изобутанол и изоамилол в средней фракции (Ф 2 - Ф 7) и существенно снизить их потери с хвостовой фракцией (Ф 8).

Скорость дистилляции также влияет на динамику распределения энантовых эфиров. Ее снижение приводит к перераспределению их содержания в сторону высокоспиртуозных фракций дистиллята. При высокой и средней скорости дистилляции (режимы I и II) потери энантовых эфиров с головной и хвостовой фракциями практически одинаковые и составляют 11,9 и 12,2 %, соответственно. Из представленных данных видно, что дистилляция при минимальной скорости приводит к снижению этих потерь на 3,9 - 4,2 %. При этом большая часть энантовых эфиров концентрируется во фракциях Ф 6 и Ф 7, что может оказывать положительное влияние на аромат дистиллята из возвратных отходов хлебопекарного производства.

В целом, результаты исследования показали, что скорость дистилляции сброженного сусла из возвратных отходов хлебопекарного производства оказывает существенное влияние на динамику распределения основных летучих компонентов и выход дистиллята по безводному спирту. При оптимальной скорости дистилляции повышается выход безводного спирта, в среднем, на 4 % и снижаются потери ценных ароматобразующих летучих компонентов с головной и хвостовой фракциями. Анализ полученных данных позволяет рекомендовать проведение процесса дистилляции данного вида сырья при средней или минимальной скоростях (режимы II или III). Окончательный выбор скорости дистилляции на конкретном виде оборудования может быть сделан после оценки экономической эффективности процесса.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пучкова Л.И., Поландова Р.Д., Матвеева И.В. Технология хлеба, кондитерских и макаронных изделий. Часть I. Технология хлеба. - СПб.: ГИОРД, 2005. - 559 с.

2. Дзювина О. Использование пищевых отходов хлебокомбинатов // Хлебопродукты. - 2008. -№1. - С. 54-55.

3. Костюченко М.Н., Шлеленко Л.А., Тюрина О.Е., Быковченко Т.В., Невская Е.В. Современные технологические решения для повышения сроков годности хлебобулочных изделий // Хлебопечение России, 2012. - №1. - С. 10-12

4. Волохова М.Н., Шнитов К.Д., Чубенко Н.Т., Степанюк В.Д. Анализ лимитов размещения отходов хлебопекарных предприятий // Хлебопечение России, 2010. - №4. - С. 23-25.

5. Оганесянц Л.А., Песчанская В.А., Крику-нова Л.Н. Технико-экономическое обоснование эффективности производства дистиллятов из возвратных отходов хлебопекарного производства // Пиво и напитки, 2018. - №2. - С. 66-69.

6. Крикунова Л.Н., Песчанская В.А., Захаров М.А. Минеральный состав возвратных отходов хлебопекарного производства // Технология и товароведение инновационных пищевых продуктов, 2018

- №2. - С. 25-29.

7. Крикунова Л.Н., Дубинина Е.В. Исследование белкового комплекса возвратных отходов хлебопекарного производства // Технология и товароведение инновационных пищевых продуктов, 2018

- №6(53). - С. 63-66.

8. ГОСТ 33834-2016 Продукция винодельческая и сырье для ее производства. Газохроматогра-фический метод определения массовой концентрации летучих компонентов. - Введен 01.01.2018. -М.: Стандартинформ, 2016. - 11 с.

9. Оганесянц Л.А., Лорян Г.В. Изучение летучих компонентов шелковичных дистиллятов // Виноделие и виноградарство, 2015. - №2. - С. 17-20.

10.Ли, Э., Пигготт, Дж. Спиртные напитки: Особенности брожения и производства / Э. Ли, Дж. Пигготт (ред.); перевод с англ. под общ. ред. А.Л. Панасюка. - СПб.: Профессия, 2006. - 552 с.

11.Claus, Michael J, Berglund, Kris A., Defining still parameters using chemcad bath distillation model for modeling fruit spirits distillations. Journal of Food Process Engineering, 2009, 32: 881-889.

12.Prado-Ramirez Rogelio, Gonzales-Alvarez

Victor, Pelayo-Ortiz Carlos, Casillas Norberto, Estarron Mirna, Gomez-Hernandez Hector E. The role of distillation on the quality of tequila. International journal of food science and technology, 2005, 40: 701-708.

13.Скурихин, И.М. Химия коньяка и бренди / И.М. Скурихин - М: ДеЛи Принт, 2005. - 296 с.

Оганесян Лев Арсенович, д.т.н., профессор, академик РАН, директор ВНИИБиВП - филиала ФГБНУ «Федеральный научный центр пищевых систем им. В.М. Горбатова» РАН, Тел.: 8(499)246-67-69, e-mail: vniipbivp@fncps. ru,

Крикунова Людмила Николаевна,

д.т.н., профессор, ведущий научный сотрудник отдела технологии крепких напитков ВНИИБиВП - филиала ФГБНУ «Федеральный научный центр пищевых систем им. В.М. Горбатова» РАН, Тел.: 8(499)255-20-21, email: cognac320@mail. ru

Дубинина Елена Васильевна, к.т.н., ведущий научный сотрудник отдела технологии крепких напитков ВНИИБиВП - филиала ФГБНУ «Федеральный научный центр пищевых систем им. В.М. Горбатова» РАН, Тел.: 8(499) 246-66-12, e-mail: elena-vd@yandex.ru