低压煮沸工艺的探讨

发布时间:2018-08-10 09:50          

一、 前言

麦汁煮沸是啤酒生产的一个重要环节。麦汁煮沸的效果影响着啤酒的质量,关系到啤酒的苦味、色度、风味、泡沫等特性,同时对啤酒的胶体稳定性、泡沫稳定性、风味稳定性也有着十分重要的影响。麦汁煮沸阶段是啤酒厂最耗能量的一道工序,麦汁预热和煮沸耗能几乎占啤酒厂总耗能量的三分之一。因此,煮沸系统的经济性要求使麦汁煮沸技术得到了发展,从1979年以来,低压麦汁煮沸系统在全世界范围内得到了广泛的使用。我厂从1992年开始,将常压煮沸系统改造为低压煮沸,经过几年的摸索和使用证明,合理的低压煮沸工艺不仅可以节约大量的能量,而且不会降低啤酒的质量。

二、低压煮沸的可行性

(一)麦汁煮沸过程中的变化

1.酒花组分的溶解和转变

酒花树脂或酒花苦味物质能赋予啤酒苦味。在麦汁煮沸过程中,α-酸异构成异α-酸,异α-酸比α-酸更易溶于麦汁,α-酸不溶于冷麦汁。麦汁煮沸过程中大约只有三分之一的α-酸发生异构化。

酒花精油是啤酒重要的香气来源,酒花精油极易挥发,易氧化,氧化后形成极难闻的脂肪臭。

酒花含有4~8%的花色苷、单宁、儿茶酸等水溶性多酚物质,可参与凝固物的形成。

2.蛋白质—多酚复合物的形成和分离

来自麦芽、酒花的水溶性多酚与麦汁中的蛋白质可以相互聚合形成凝固物。

热凝固物:麦汁煮沸时以凝固物的形式析出。

冷凝固物:麦汁煮沸时以溶解形式存在,麦汁冷却时以凝固物的形式析出分离,它可以参与啤酒的冷混浊。

麦汁经过煮沸以后,还含有少量高分子可凝固性氮(<25mg/L麦汁),能与多酚氧化聚合析出,产生混浊。

3.水分蒸发

水分蒸发愈大,麦汁运动愈强烈,凝固物形成愈好。

水分蒸发愈大,煮沸所消耗的能量也愈多。

水分蒸发量大,糖化收率高。

4.麦汁灭菌

经过麦汁煮沸,可以杀灭麦汁中的细菌,尤其是产酸菌,防止麦汁酸败。

5.酶的钝化

经过麦汁煮沸,可以钝化麦汁中的残余酶活,停止酶的作用,使麦汁定型。

6.麦汁色度上升

煮沸中形成的类黑素和多酚氧化使麦汁色度不断上升。

7.麦汁酸度的增加

酸性类黑素和酒花带入的酸性物质使麦汁的酸度上升。

混合麦汁pH5.8~5.9;打出麦汁pH5.5~5.6。

pH值影响着:蛋白质—多酚复合物析出、色度形成、酒花苦味物质的溶解和转变等。

8.还原物质的形成

麦汁煮沸过程中能产生类黑精等还原性物质。类黑精具有双重作用:一方面,具有还原作用;另一方面,在有氧的条件下,促进高级醇氧化形成羰基。

9.DMS含量的变化和影响

DMS也就是二甲基硫(CH3)2S,易挥发,给啤酒带来不愉快的口味和气味,被描述成腐烂卷心菜的气味,根据啤酒的不同其口味阈值50~60ug/L,生产过程中应尽可能去除DMS。

DMS是大麦发芽过程中产生的硫-甲基蛋氨酸(SMM)经高温分解的产物,反应存在于麦芽干燥、麦汁煮沸、麦汁回旋沉淀等过程。

麦汁煮沸的温度决定了SMM→DMS反应的速度;水分蒸发量决定了DMS的挥发。

沉淀槽中SMM继续分解产生DMS,因为沉淀槽是密闭的,DMS不能挥发,所以沉淀槽中的DMS含量会上升。也有一些啤酒厂使用一个称为“stripper”的设备来去除DMS,该设备放在沉淀槽之后,麦汁从上部喷洒下来,热空气从下部逆流而上,加强麦汁中DMS的挥发,被除去DMS的麦汁随后进入薄板冷却器冷却。

冷麦汁中残留的SMM可部分被酵母吸收同化;啤酒中残留的SMM在啤酒高温贮藏时产生DMS,使DMS含量上升。

(二)   低压煮沸的理论基础

压力小于1Bar(100~120℃)的加压煮沸,称为低压煮沸。

低压煮沸的理论基础是Arrhenius准则:“温度每上升10℃,化学反应的速度增加一倍”。这是Arrhenius发现的,曾于1907年获得诺贝尔物理奖。该原理适用于一般的化学反应过程,对于SMM分解和可凝固氮凝固来说,温度每升高10℃,反应速度增加为原来的3.16倍(不同文献报道有一定差异)。

低压煮沸自诞生以来,引起了许多争议。一是保压阶段的煮沸温度,二是最小蒸发量。

1.煮沸温度与时间的确定

实践经验表明:SMM的半衰期特性可以作为麦汁煮沸过程反应速度和主要组成的代表参数。这样,可以在与常压煮沸相比较的基础上,计算出带压煮沸需要的时间。

在温度不变的情况下,SMM分解按一次方程进行。SMM的半衰期与温度的关系:

常温煮沸:100℃×90min

低压煮沸:预煮沸10min、升压15min、保压阶段、卸压15min、后煮沸10min

根据计算,可以发现随着煮沸温度的提高,SMM达到相同程度分解所需高温时间大大减少(见表2)。因为在煮沸温度105℃、107℃、109℃、111℃、113℃下SMM分解速度分别是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.最小蒸发量问题

最小蒸发量的确定,以DMS+SMM作为指示值。

从理论上来说,低压煮沸与常压煮沸相比,高温煮沸使SMM更加有效地分解成DMS,高温煮沸结束后麦汁中残留的SMM较少,在沉淀槽中由SMM继续分解产生的DMS量也应该较少;最终麦汁中DMS的浓度受SMM分解速度与DMS挥发速度的共同影响,DMS的挥发速度受蒸发强度的影响,因此在煮沸程序中强烈的后煮沸阶段对于排除DMS等异味物质是必不可少的。与常压煮沸相比,低压煮沸的卸压阶段更加有有利于DMS等挥发性物质的蒸发。

据报道,低压煮沸试验106℃,时间15min(煮沸程序包含10min的预煮沸和20min的后煮沸),蒸发量5%;常压煮沸100℃,时间90min,蒸发量14%。两者相比,煮沸结束时前者SMM含量是后者的一半,DMS含量也明显少于后者,冷麦汁中DMS含量是常压煮沸的一半。这证明了低的蒸发量并不限制挥发性物质的去除。

最小的蒸发量取决于:煮沸锅的形状、加热面、蒸发面积、液体流动、蒸汽的排出和冷凝水的回流等因素,因为这些因素影响着蛋白质的凝固、DMS的挥发。每个系统的最小蒸发量应根据实际情况而定,原则是保证麦汁质量(包括总氮、可凝固氮、总多酚物质、色度、总风味物质、α—酸的利用、HMF、SMM、DMS等指标)不能下降。

一套设计合理的低压煮沸系统,应该是最大程度的节能与最小程度影响质量的组合。

(三)   美拉德反应与麦汁热损伤

美拉德反应(Millard reaction)是指麦汁中的糖(己糖或戊糖)和麦汁中的氨基酸、二肽、三肽等经一系列高温反应产生类黑精。类黑精具有香味和着色力,是啤酒香味和色度的主要来源。美拉德反应开始于麦芽干燥,在麦汁煮沸时又得到加强。己糖或戊糖的游离羰基与低分子含N物质的氨基反应,生成杂环环状结构的N-代葡基胺,此物质进行Amadori重排形成烯醇式或酮式化合物,此种物质遇热不稳定,在加热条件下发生脱水或分解反应而形成3-脱氧己糖或3-脱氧戊糖。前者在水解条件下形成5-羟甲基糠醛或5-羟基糠醛,后者经过一系列的中间产物而形成4-羟基-5-甲基-3(2H)-呋喃,这些物质与氨基酸反应,经许多步骤而形成类黑精。美拉德反应的中间产物还包括许多N-杂环化合物,如:吡嗪、吡啶、噻唑、呋喃等,这些物质产生于麦芽焙燥和麦汁煮沸中,也存在于老化的啤酒中。这些N-杂环化合物具有焦香味,是啤酒的风味物质。制麦过程或糖化过程中较高的热负荷会促使美拉德反应的产物大量产生,从而损害啤酒的口味及风味稳定性。这些物质虽然在发酵过程中能部分地减少,但在啤酒巴氏灭菌或不适宜的贮存温度下还会由其前驱重新生成。

氨基酸的Strecker降解是指美拉德反应过程中所形成的二羰基化合物与氨基酸反应,产生比原氨基酸少一个碳原子的醛,如:甘氨酸的产物为甲醛,丙氨酸的产物为乙醛,缬氨酸的产物为异丁醛,亮氨酸的产物为异戊醛。这些醛类部分随二次蒸汽挥发,部分残留于麦汁中,这些短链的醛类本身无氧化味,但可以通过醇醛缩合转化为长链不饱和醛类产生氧化味。

类黑精反应所产生大量的着色物质占整个酿酒造过程中着色反应物质的大部分。这种反应是不可逆的,并且类黑精在发酵中也不能被分离而脱色。当然,麦汁的着色并不仅仅由美拉德反应引起,也由于麦芽和酒花的多酚物质的氧化。

现在已经证实,羰基类化合物是影响风味的最主要的化合物,在啤酒中已知的羰基化合物有98种(51种醛,47种酮),随着链长的增加,羰基化合物具有老化风味,其识别阈值为ppm级甚至ppb级,啤酒老化以后,羰基化合物的含量明显超过其识别阈值。羰基化合物,除乙醛、双乙酰等物质外,长链的不饱和的醛是风味老化最重要的物质群,如壬烯醛、羟甲基糠醛在老化啤酒中具有纸板味,还有一些类似于壬烯醛的另一些醛(2-庚烯醛、2-辛烯醛),对风味老化的影响尚不清楚,但可以肯定它们在啤酒老化过程中也起着重要作用。反-2-壬烯醛是由麦芽中的不饱和脂肪酸氧化产生的,在麦汁煮沸过程中反-2-壬烯醛被自发氧化成戊醛、已醛、庚醛、辛醛,这些醛类在煮沸和发酵过程中能被还原成相应的醇。这些高级醛(C5~C8)和高级醇(C5~C8)在麦汁煮沸阶段必须被除去。因为在氨基酸存在的条件下,饱和醛可以经过醇醛缩合转化为长链不饱和醛,从而影响啤酒的风味,并使啤酒容易老化。同时,它们能在发酵中进一步转变为酯类影响啤酒的风味,如图1所示。

总而言之,麦汁煮沸促进了这些芳香物质的形成,这些芳香物质是啤酒必不可少的风味物质。但过分的煮沸时间或强烈的热负荷,促使这些物质的大量产生,就会损害啤酒的口味,同时也使色度大幅度地上升。啤酒的“煮沸味道”、“麦皮味”也与这类物质相关,热负荷(总的热处理效应)过高还会导致啤酒泡沫性能差。

TBA法(丙二酰硫脲试验法)可以测定麦汁在加工中所受的热损伤,TBA被认为主要与5-羟甲基糠醛HMF起反应。

低压煮沸由于采用了较高的煮沸温度,如果煮沸时间过长容易产生热损伤。表3反映了不同的煮沸温度,相同的处理时间与常规煮沸相比较的结果。从表中可以看出,低压煮沸的麦汁苦味值都高于常规煮沸,麦汁中的可凝固氮、SMM、DMS也低于常规煮沸;在106℃和108℃处理时,麦汁的TBA值略低于常规处理,在110℃和112℃处理时,麦汁的TBA值高于常规处理。TBA值高表明麦汁的热损伤大,在麦汁中产生了较高水平的羰基化合物,而它们能造成异味并导致啤酒容易老化。麦汁的色度也反映了麦汁的热损伤情况。

除了煮沸温度高、煮沸时间长会使麦汁产生热损伤处,低压煮沸过程中的局部过热也会产生热损伤。

局部过热的形成因素:

1.加热介质温度过高;

2.麦汁加热使用内加热器加热时,温差过大;

3.麦汁在锅内对流不好,麦汁温度不均匀;

4.麦汁循环不够,麦汁通过加热器时流速太慢;

5.加热面结垢,传热效果差。

因此,为了保证低压煮沸不影响啤酒的质量,必须合理选择煮沸温度和煮沸时间,同时,要防止局部热,避免煮沸过程中热负荷过高使麦汁产生热损伤。

三、低压煮沸设备

图2是我厂改造后的带强制循环的内加热器低压煮沸系统的示意图。

麦汁从煮沸锅的底部通过麦汁循环泵,穿过安装在煮沸锅内的列管式加热器中的列管而被加热向上沸腾,蒸汽被冷凝。在加热器的上方安装伞形分布罩,使上升的麦汁射向四周,同时避免泡沫的形成。

二次蒸汽可以通过二次蒸汽冷凝器回收热能。在冷凝器中二次蒸汽穿过中间有水流动的列管,水被升温。二次蒸汽将热量传递给水后自身冷凝下来。二次蒸汽可以通过一级或二级冷却,得到高温水。如果进行二级冷却,则第一级可将热水加热成高温水,第二级冷却则可将冷水加热成热水。由于热水产生量较大,超过生产需求,所以我厂使用一级冷却。

换热面积:1.3~1.4m2/m3麦汁,较大的换热面积,可以利用较低的蒸汽温度,降低传热面的温差,防止热损伤;

材料:不锈钢;

结构:内加热器设置双伞形罩或平面罩,利用表面蒸发作用促进异味排出;

清洗:定期有效地进行CIP清洗程序,去除加热器表面积垢,提高传热效果,防止局部过热;

循环:通过一个大流量低扬程的麦汁循环泵使锅内麦汁循环7~17次/小时;

开口煮沸:有一可控制的排汽阀门,可控制二汽蒸汽的回收与否;

该系统待改造项目:

利用热能贮罐的高温水,通过换热器对来自麦汁贮罐的麦汁进行加热后,再通过内加热器进行麦汁煮沸。作用:一方面,节约能量;另一方面:减少麦汁加热期间因温差过大产生的热损伤。

麦汁煮沸结束后,采用真空蒸发。作用:加强麦汁中异味物质的挥发。

麦汁煮沸期间,从锅底鼓入N2,促进蒸发。作用:加强麦汁中异味物质的挥发。

四、低压煮沸工艺

(一)   工艺流程

常压预煮沸10min

10~15min内将煮沸温度升至106~108℃

低压煮沸106~108℃20min

卸压15~20min

常压后煮沸10min

预煮沸和强烈后煮沸阶段是必须的,以便蒸发和除去挥发性异味物质,对除去挥发性物质来说,强烈的后煮沸阶段比预煮沸阶段更加有效。

(二)煮沸工艺要点

1.最小蒸发量控制:6%。混合麦汁浓度9.50BX,最终麦汁浓度10.10BX。

2.pH值控制:麦汁煮沸理想pH=5.2。较低的pH可以促进蛋白质凝聚;美拉德反应不充分,色度上升幅度小;酒花苦味细腻柔和。由于投料水硬度偏高,麦汁pH在5.4~5.6。

3.酒花添加:添加总量为麦汁的0.6‰。分两次添加:第一次在预煮沸的开始,添加总量的60%;第二次在强烈后煮沸的开始,添加总量的40%;

4.麦汁澄清剂:有效成分是鹿角藻聚糖(卡拉胶),有助于热凝固物的絮凝沉淀,麦汁冷却后,对一些极微小的冷凝固物粒子(<2μm)也可以排除,可显著改善啤酒的过滤性能及非生物稳定性。添加量20~30 mg/L。

5.Ca++添加:麦汁中含有80~100mg/L Ca++,可以沉淀来自麦芽中的草酸;增酸作用;促进蛋白质凝聚;促进酵母凝聚。

6.Zn++添加:Zn++是酵母生长必需的无机离子,当麦汁中含有0.1~0.3mg/L Zn++时,酵母生长旺盛,发酵力强。但Zn++添加过量会引起发酵异常,发酵前期快后期慢。

7.外循环控制:煮沸过程中,利于麦汁循环泵,促进锅内麦汁循环。循环泵转速不宜太快,否则会打碎已析出的大颗粒蛋白质沉淀,造成回旋沉淀效果不好。

8.洗糟残水回收:由于低压煮沸的蒸发量较小,混合麦汁浓度较高,洗糟残水不回收会使糖化收率下降。

(三)煮沸锅的清洗

1.加热器表面垢层性质

煮沸锅内加热器的表面的垢层比较复杂:

糖的焦化形成的垢层;

蛋白质变性、凝固形成的垢层;

酒花树脂氧化聚合形成的垢层;

来自麦芽、酒花的草酸根形成的草酸钙垢层;

来自麦芽的磷酸根形成的磷酸钙垢层;

投料水中暂时硬度太高,加热形成的碳酸钙垢层;

糖在加热器表面由于局部过热炭化形成的垢层,特别紧密,粘着力强。而水垢和糖焦化复合形成的垢层,其强度更大。

2.煮沸锅CIP程序

CIP程序的效果取决于:洗涤剂的种类、洗涤剂的浓度、洗涤温度、洗涤时间和物理作用力。

煮沸锅CIP程序如下:

热水冲洗

碱液冲洗        85℃  3~5% NaOH

酸液冲洗        60℃  0.5% HNO3

最后冲洗

3.煮沸锅CIP频次

碱洗程序每糖化20批次进行一次;酸洗程序每半月或每月进行一次。

五、低压煮沸与常规煮沸对比

(一) 经济性比较

计算依据:

120P麦汁的密度:ρ=1048Kg/m3

比热:c=4KJ/Kg · K

100℃水蒸发耗能:2260KJ/Kg

锅炉热效率:     81.6%

糖化热效率:     65%

标煤热值:      7000Kcal/Kg=29308KJ/Kg

表4中计算的是煮沸锅总的耗能,包括麦汁加热和麦汁煮沸两部分,如果不计麦汁加热部分,低压煮沸与常规煮沸相比,可节能50%左右。考虑到二次蒸汽回收的热能,其节能量可达60~70%。

每锅产热麦汁660HL,每年按1000锅计算,可节约标煤1000×660×0.8871/1000=585T

由此可见,与常规煮沸相比,采用低压煮沸的节能量是非常可观的。

(二)质量比较

通过低压煮沸与常规煮沸所生产的麦汁、啤酒的理化指标比较,发现低压煮沸与常规煮沸相比,色度、可凝固氮有明显降低,啤酒的保质期由16周增加至24周,其它指标无太大差别(见表5),可见低压煮沸不会降低啤酒的质量。

低压煮沸生产的个别批次啤酒会出现煮沸味道,可能与麦汁煮沸过程中麦汁局部过热或蒸发量过低有关。

六、 结论

低压煮沸与常规煮沸相比,麦汁煮沸可节能50%以上。在质量方面,可以显著降低啤酒的色度,并且提高啤酒的保质期。为了保证啤酒的风味不受影响,必须正确地选择煮沸的温度和时间,避免煮沸过程中过高的热负荷,同时必须满足一定的蒸发量(不低于5%)。

【参考文献】

1.管敦仪编著,《啤酒工业手册》(修订版),中国轻工业出版社,1998

2.顾国贤主编,《酿造酒工艺学》,轻工业出版社

3.廖惟,《啤酒风味老化和抗老化》,硕士学位论文,1996

4.[德]Wolfgang kunze 著,湖北啤酒学校翻译组 译《啤酒工业实用技术》,中国轻工业出版社,1998

5.《Brewing and Beverage Industry》,W.Sachon 1/1996

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

注:本文曾发表在《啤酒科技》1999年第4期。

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