CC BY
18
ТЕМА
технологические решения НОМЕРА для обеспечения
качества продукции
УДК 663.551:663.03 DOI: 10.24411/2072-9650-2020-10012
Исследование совместного влияния сверхвысокочастотного излучения и кислорода на процесс экстрагирования в технологии получения спиртных напитков
Д.М. Бородулин*, д-р техн. наук, профессор; И.Ю. Резниченко, д-р техн. наук, профессор; М.В. Просин, канд. техн. наук; А.В. Шалев; М.Н. Потапова, канд. техн. наук; Я.С. Головачева
Кемеровский государственный университет
Дата поступления в редакцию 11.02.2020 *borodulin_dmitri@list.ru
Дата принятия в печать 09.06.2020 © Бородулин Д.М, Резниченко И.Ю, Просин М.В, Шалев А.В, Потапова М.Н, Головачева Я.С, 2020
Реферат
Показана возможность интенсификации процесса экстрагирования в технологии получения спиртных напитков с применением дубовой щепы. Работа была выполнена в Кемеровском государственном университете, инжиниринговом центре института инженерных технологий. Цель исследований заключалась в определении показателей качества экстракта при комплексном воздействии кислородом и СВЧ-излучением на процесс экстрагирования для разработки эффективного способа интенсификации процесса извлечения целевых компонентов из дубовой щепы в водно-спиртовой раствор. Образцы водно-спиртовых растворов с содержанием спирта 50%об. определенным способом подвергали воздействию сверхвысокочастотного излучения и воздействию кислорода в экстракторе периодического действия. Продолжительность воздействия кислородом варьировала от 5 до 15 мин, СВЧ - излучением от 1 до 3 мин. В образцах исследовали показатели качества, характеризующие потребительские свойства. В работе применяли методы анализа и систематизации данных, инструментальные методы анализа. В модельных образцах определяли оптическую плотность спектрофотометрическим методом, содержание полифенолов - методом Еруманиса, содержание сухих веществ - высушиванием. Отмечено, что комплексное воздействие кислорода и микроволн привело к увеличению оптической плотности в 2,2 раза, а, следовательно, и к интенсификации процесса экстрагирования. Максимальное содержание полифенолов (273 мг/дм3) выявлено в образце, который подвергался максимальному совместному воздействию. Установлен прямо пропорциональный рост содержания сухих веществ в образцах по отношению к увеличению времени воздействия факторов. Комплексное воздействие на процесс экстрагирования, таким образом, способствует интенсификации процесса извлечения целевых компонентов и может найти практическое применение в технологии спиртных напитков.
Ключевые слова
воздействие кислорода; процесс экстрагирования; сверхвысокочастотное излучение; технологии спиртных напитков. цитирование
Бородулин Д.М, Резниченко И.Ю, Просин М.В., Шалев А.В, Потапова М.Н, Головачева Я. С. (2020) Исследование совместного влияния сверхвысокочастотного излучения и кислорода на процесс экстрагирования в технологии получения спиртных напитков //Пиво и напитки. 2020. № 2. С. 15-19.
Research of the Joint Impact of Microwave Radiationand Oxygen on the Process of Extraction in the Technology for Producing Alcoholic Beverages
D.M. Borodulin, Doctor of Technical Science, Professor; I. Yu. Reznichenko, Doctor of Technical Science, Professor;
M. V. Prosin, Candidate of Technical Science; A. V. Shalev; M.N. Potapova, Candidate of Technical Science; Ya.S. Golovacheva
Kemerovo State University
Received: February 11,2020 *borodulin_dmitri@list.ru
Accepted: June 9,2020 © Borodulin D. M, Reznichenko I. Yu, Prosin M. V., Shalev A. V, Potapova M. N, Golovacheva Ya. S, 2020
Abstract
The possibility of intensifying the extraction process in the technology for producing alcoholic beverages using oak wood chips is shown. The work was carried out at the Kemerovo State University, the engineering center of the Institute of Engineering Technologies. The purpose of the research was to determine the quality indicators of the extract under the combined effect of oxygen and microwave radiation on the extraction process to develop an effective way to intensify the process of extracting the target components from oak wood chips into an aqueous-alcoholic solution. Water-alcohol solutions with an alcohol content of 50% in a certain way were subjected to microwave radiation and oxygen in a batch extractor. The duration of exposure to oxygen varied from 5 to 15 minutes, microwave - cure from 1 to 3 minutes. The samples examined quality indicators characterizing consumer properties. Instrumental methods of analysis were used in the work: in model samples, the optical density was analyzed by the spectrophotometric method, the polyphenol content by the Yerumanis method, and the dry matter content by drying. It was noted that the combined effect of oxygen and microwaves led to an increase in optical density
2•2020
ПИВО и НАПИТКИ / BEER and BEVERAGES
технологические решения для обеспечения качества продукции
by 2.2 times, and, consequently, to the intensification of extraction. The maximum polyphenol content (273 mg/dm3) was detected in the sample, which was subjected to the maximum combined effect. A directly proportional increase in the solids content in the samples was established in relation to an increase in the exposure time of factors. The complex effect on the extraction process, thus, contributes to the intensification of the process of extracting the target components, may find practical value in the technology of alcoholic beverages.
Key words
oxygen exposure; extraction process; microwave radiation; alcohol technology. Citation
Borodulin D.M, Reznichenko I. Yu., Prosin M. V, Shalev A. V, Potapova M.N. (2020) Research of the Joint Impact of Microwave Radiationand Oxygen on the Process of Extraction in the Technology for Producing Alcoholic Beverages // Beer and Beverages = Pivo i Napitki. 2020. No. 2. P. 15-19.
Введение. Современные технологии производства виски предполагают использование термооб-работанной дубовой щепы, дубовых обугленных спиралей, палочек. Эти материалы зарекомендовали себя не только как доступные по ценовой категории сырьевые компоненты, применимые в производственных и домашних условиях, но и как материалы имеющие ряд преимуществ перед дубовой бочкой (рис. 1) [1-3]. Применение дубовой щепы, наряду с другими материалами, наиболее распространено и имеет предпочтения: сокращает продолжительность технологического процесса, снижает технологические потери. При этом актуальны исследования, связанные с формированием потребительских свойств, выбором
оптимальных технологических приемов экстрагирования и интенсификации данного процесса.
Цель исследований — определение показателей качества экстракта при комплексном воздействии кислородом и СВЧ-излучением на процесс экстрагирования для разработки эффективного способа интенсификации процесса извлечения целевых компонентов из дубовой щепы в водно-спиртовой раствор.
Объекты и методы исследований. Для проведения исследований интенсификации извлечения спиртосодержащей жидкой фазой целевых компонентов из твердой фазы в качестве экстрагента взят модельный водно-спиртовой раствор, состоящий из зернового этилового ректифико-
ванного спирта класса «Люкс», соответствующего требованиям ГОСТ 5962-2013 [4], и дистиллированной воды, соответствующей ГОСТ 6709-72 [5]. В качестве твердой фазы выбрана термообработанная дубовая щепа французского дуба сильного обжига. Частицы щепы имели одинаковый размер (примерно 15x10x3 мм) и не содержали частиц коры. Ранее на базе инжинирингового центра «FOOD ENGINEERING» Института инженерных технологий Кемеровского государственного университета, были получены положительные результаты по раздельному влиянию кислорода и СВЧ — излучения на процесс экстрагирования целевых компонентов из дубовой щепы [6, 7]. В данной работе в качестве интенсификации процесса экстрагирования выбран комплексный способ воздействия кислородом и СВЧ — излучением на спиртные напитки в процессе их созревания. Для этих процессов был разработан лабораторный стенд (рис. 2).
Образцы водно-спиртовых растворов готовили в инжиниринговом центре «FOOD ENGINEERING» Института инженерных технологий Кемеровского государственного университета. Концентрация спирта в образцах составляла 50%об. (согласно классической технологии приготовления виски по ГОСТ 33281-2015), количество дубовой щепы брали в соотношении 1 г на 500 мл раствора. Образцы хранились и созревали в стеклянных резервуарах с плотно закрытой крышкой.
Постановка эксперимента. Было приготовлено девять модельных образцов водно-спиртового раствора с щепой, которые определенным способом подвергали воздействию сверхвысокочастотного излучения в микроволновой печи и воздействию кислорода в экстракторе периодического действия. Десятый образец не подвергали воздействию, выдерживали классическим способом и он служил контролем. Время воздействия на модельные образцы приведено в таблице.
Oak Chips Дубовые чипсы или щепа
Обугленные палочки или стружки американского белого дуба
American Oak Infusion Spirals - Heavy Toast Дубовые спирали
Рис. 1. Виды применяемого материала при производстве виски
2
jf* * .¡¿¿¿à.
Рис. 2. Стенд для изучения интенсификации процесса экстрагирования:
1 - экстрактор периодического действия; 2 - кислородный концентратор АРМЕД 7 F-3A; 3 - колориметр фотоэлектрический; 4 - микроволновая печь
Метод воздействия
Обработка модельных образцов
Время воздействия, мин Номер модельного образца
1 2 3 4 s б 7 s 9
Кислород s s s 10 10 10 is is is
СВЧ-излучение 1 2 3 1 2 3 1 2 3
4
1
3
ПИВО и НАПИТКИ / BEER and BEVERAGES
2•2020
При проведении исследований использовали измерительные методы оценки образцов экстракта. В образцах анализировали оптическую плотность спектрофотометрическим методом, содержание полифенолов — методом Еруманиса, содержание сухих веществ — высушиванием [8, 9].
Сравнительный анализ различных способов обработки для интенсификации процесса экстрагирования, проведенный авторами ранее, показал, что более эффективным, с учетом повышения оптической плотности, представляется метод воздействия кислородом. Выявлено, что степень обжарки щепы значительно влияет на цвет продукта, чем сильнее обжиг щепы, тем быстрее происходит насыщение цвета. СВЧ-излучение способствует более интенсивному накоплению полифенолов. При воздействии кислородом содержание полифенолов в образцах с различной щепой отличалось незначительно, но воздействие кислорода интенсифицирует процесс извлечения фенольных соединений. Содержание экстрактивных сухих веществ при воздействии кислородом и СВЧ-излучением увеличивается по сравнению с контрольным образцом, вид щепы не влияет на процесс выхода экстрактивных веществ. В связи в чем, исследования по совместному влиянию методов интенсификации на процесс экстрагирования проводили с применением дубовой щепы сильного обжига.
Результаты и их обсуждение. Анализ оптической плотности образцов. Цвет — одно из важных потребительских свойств виски. Он формируется в процессе выдержки и зависит от продолжительности выдержки, вида дуба, обжига бочки, вида сырья и варьирует от светло-желтого до коричневого. В исследованиях цвет образцов определяли визуально и по величине оптической плотности.
При проведении эксперимента на протяжении одного года каждые 48 ч образцы подвергали комплексному воздействию кислорода в экстракторе периодического действия и СВЧ-излучению с разной продолжительностью по времени (см. таблицу).
Показатели качества образцов определяли через каждые 28 сут. Динамика оптической плотности представлена на рис. 3.
С увеличением времени воздействия на образцы кислородом и СВЧ-
ЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ для ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ
0,1 1
0,08 -
14 27 48 78 105 136 170 200 241 283 316 361 Продолжительность созревания, сут -- Контрольный образец — Образец 1 — Образец 2 -- Образец 3 Образец 4 — Образец 5 -- Образец 6 ••• Образец 7 — Образец 8 -- Образец 9
Рис. 3. Зависимость величины оптической плотности модельных образцов
от времени экстрагирования при совместном воздействии кислорода и СВЧ-излучения
излучением возрастает показатель оптической плотности исследуемых образцов по отношению к контрольному. На начальной стадии экстрагирования оптическая плотность контрольного образца составляла 0,045 ед., а по истечении одного года — 0,07 ед. Максимальное значение оптической плотности достигается в образце 9 и изменяется от 0,067 до 0,1 ед.
Сравнивая полученные значения оптической плотности контрольного образца и образца 9, можно отметить, что комплексное воздействие кислорода и микроволн привело к увеличению оптической плотности в 2,2 раза, а, следовательно, и к интенсификации экстрагирования. Визуальная оценка показала, что образец 9 имеет насыщенный медово-янтарный цвет.
Определение содержания полифенолов. Принимая во внимание, что дубовая щепа содержит определенное количество фенольных антиокси-дантов, в работе определяли содержание полифенолов, которые также оказывают существенное влияние на формирование потребительских свойств готового напитка. Например, флавоны, относящиеся к флавонои-дам, отвечают за горький вкус, танин отвечает за вяжущие свойства, а ан-тоцианины обеспечивают цвет [9]. Динамика изменения содержания полифенолов в образцах по истече-
нии одного года выдержки показана на рис. 4.
Максимальное значение содержания полифенолов (273 мг/дм3) выявлено образце 9, который подвергали максимальному совместному воздействию кислорода в экстракторе и СВЧ-излучению. Рост содержания полифенолов по сравнению с контрольным образцом наблюдается во всех модельных образцах с увеличением воздействия двух факторов — кислорода и СВЧ-излучения. Контрольный образец после классической выдержки в течение одного года характеризуется содержанием полифенолов в количестве 164 мг/дм3, что более чем на 100 ед. меньше значения данного показателя образца 9.
Определение содержания сухих веществ. В образцах по истечении одного года выдержки определяли содержание сухих веществ. Результаты исследования представлены на рис. 5.
Выявлен прямо пропорциональный рост содержания сухих веществ в образцах по отношению к увеличению времени воздействия факторов. При максимальном времени совместного влияния кислорода (15 мин) и СВЧ-излучения (3 мин) в образце 9 содержание сухих веществ составило 0,0034 г, что в 5 раз превышает значение данного показателя в контрольном образце.
Выводы. Анализ комплексного воздействия кислорода и СВЧ-излучения
£ Ш
I
0
1
<
I ш Ь
2•2020
ПИВО и НАПИТКИ / BEER and BEVERAGES
ТЕМА НОМЕРА
и о
с
а и гг
РС
а. а
рс
I
'ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ для ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦ
4. GOST 5962-2013. Viski. Tekhnicheskie us-loviya [State Standard 5962-2013. Whiskey. Technical condition]. Moscow: Standartin-form; 2014. 5 p.
5. GOST 6709-72. Voda distillirovannaya. Tekhnicheskie usloviya [State Standard 6709-72. Distilled water. Technical condition]. Moscow: Standartinform; 2007. 178 p.
6. Borodulin DM, Potapov AN, Prosin MV. Investigation of Influence of Oxygen on Process of Whiskey Ripening in New Design of Extractor. Advances in Engineering Research, 2018;l (151):578-583. DOI: https:// doi.org/10.2991/agrosmart-18.2018.108.
7. Borodulin DM., Prosin MV, Potapova MN, Shalev AV. Issledovanie vliyaniya mikrovol-novogo vozdeistviya na protsess sozrevani-ya viskovykh distsillyatov [Investigation of
the influence of microwave exposure on the maturation process of temple discilites]. Khranenie i pererabotka sel'khozsyr'ya [Storage and processing of agricultural raw materials]. 2019;4:141-453. DOI: https:// doi.org/10.36107/spfp.2019.154.
8. Borodulin DM, Vechtomova EA, Fajner AA, Klopova KV. Ekstraktor periodicheskogo dejstviya dlya izvlecheniya celevyh kom-ponentov iz dubovoj shchepy [Batch extracting target components from oak wood chips]. Russia patent RU 2644914.2018.
9. Pokrovskaya NV, Kadaner YD. Biologiches-kaya i kolloidnaya stojkost' piva [Biological and colloidal resistance of beer]. Moscow: Food industry; 1987. 273 p. (In Russ.)
10. Borodulin DM, Salishcheva OV, Vechtomova EA, [et al.]. Opredelenie soderzhaniya
polifenolov v krepkih alkogol'nyh napitkah [Determination of polyphenols in strong alcoholic beverages]. Yavlenie perenosa v protsessakh i apparatakh khimicheskikh i pishchevykh proizvodstv: Materialy II Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii [The phenomenon of transfer in processes and devices of chemical and food production: Proceedings of the II International Scientific Conference]; 2016; Voronezh. Voronezh: Voronezh state University of engineering technologies; 2016. p. 431-434. (In Russ.)
11. Egorova EYu, MorozhenkoYuV, Reznichen-ko IYu. Identification of aromatic aldehydes in the express assessment of quality of herbal distilled drinks. Food and Raw Materials. 2017;5 (1):144-154. (In Russ.) &
Авторы
Бородулин Дмитрий Михайлович, д-р техн. наук, профессор;
Резниченко Ирина Юрьевна, д-р техн. наук, профессор;
Просин Максим Валерьевич, канд. техн. наук;
Шалев Алексей Владимирович;
Потапова Марина Николаевна, канд. техн. наук;
Головачева Яна Сергеевна
Кемеровский государственный университет,
650000, Россия, г. Кемерово, ул. Красная, 6
borodulin_dmitri@list.ru, irina.reznichenko@gmail.com,
prosinmv@yandex.ru, profal2007@yandex.ru,
potap-1962@list.ru, golovacheva-96@mail.ru
Authors
Dmitriy M. Borodulin, Doctor of Technical Science, Professor; Irina Yu. Reznichenko, Doctor of Technical Science, Professor; Maksim V. Prosin, Candidate of Technical Science; Aleksey V. Shalev;
Marina N. Potapova, Candidate of Technical Science;
Yana S. Golovacheva
Kemerovo State University,
6, Krasnaya Str., Kemerovo, 650000, Russia
borodulin_dmitri@list.ru, irina.reznichenko@gmail.com,
prosinmv@yandex.ru, profal2007@yandex.ru,
potap-1962@list.ru, golovacheva-96@mail.ru
ISSN 2072=9650
2 • 2020 ПИВО и НАПИТКИ / BEER and BEVERAGES 19
