Нанотехнологии при производстве крепких напитков

О.Г. Бурдо, доктор технических наук, профессор Одесской национальной академии пищевых технологий, В.Г. Терзиев, кандидат технических наук, учредитель ООО «Винтрест»

Нанотехнологии (НТ) – это новая эпоха индустриального развития человечества. Одним из серьезных достижений классических НТ является организация адресной доставки отдельных компонентов в нужную точку пространства с помощью специальных наноконтейнеров [1–3]. В настоящей работе сформулирована гипотеза о возможности аналогичной доставки энергии к отдельным элементам пищевого сырья. В таком случае энергетика становится не только характеристикой технологии, но и инструментом управления кинетикой процессов переноса в наномасштабных элементах пищевых систем [4]. Сложно переоценить возможности НТ в пищевых производствах, где целью технологий являются наномасштабные элементы сырья: оболочки клеток (7 – 30 нм), полисахариды и белки (1 – 100 нм), микроорганизмы (от 8нм). Направленное энергетическое действие на эти, уже созданные природой элементы, способно радикально изменить существующие технологии, на порядки сократить продолжительность и энергозатраты, создать принципиально новые готовые продукты [5].

Данная работа посвящена интенсификации процесса экстрагирования при производстве коньячных спиртов, где процесс сдерживается сложными взаимодействиями спирта в капиллярах древесины дуба. Малые размеры капилляров (от 5нм) определяют известные проблемы технологии.

Классическая технология производства коньячных напитков по организации процессов экстрагирования недостаточно совершенна и неэкономична. 

Многолетняя выдержка коньячных спиртов в дубовых бочках сопровождается потерями спирта в результате испарения через поры древесины. Общие потери спирта при производстве ординарных коньяков составляют 12-20%, а марочных – 24-50%. Вторая ключевая проблема – чрезвычайно низкий оборот использования производственных площадей. Все это объясняет постоянные поиски специалистами путей и методов совершенствования технологий для ускорения процессов созревания коньячных спиртов [6].

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ИДЕЯ

В традиционных технологиях при выдержке коньячных спиртов в бочках происходит чрезвычайно медленный процесс переноса целевых компонентов из древесины дуба. Связано это с тем, что спирту необходимо проникнуть в капилляры древесины, растворить там целевые компоненты и перенести их в объем раствора. Все это протекает в стесненных условиях структуры капилляров, размеры которых от 5нм. Движущие силы таких диффузионных процессов ничтожно малы, и для насыщения спирта требуются годы. 

Авторы поставили задачу интенсифицировать процесс экстрагирования из древесины за счет привлечения принципиально новых подходов. Предложено воздействовать на систему «древесина – коньячный спирт» импульсным электромагнитным полем (ЭМП). Механизм взаимодействия иллюстрирует рис.1.

Электромагнитное поле взаимодействует с полярными молекулами, непосредственно древесина практически проницаема для волн ЭМП. Энергию в глубине капилляра воспринимает раствор, часть которого переходит в паровую фазу. В результате генерации паровых пузырьков (2) в глубине микрокапилляра (1) повышается давление, возникает гидравлический поток, который увлекает с собой экстракт из пограничного слоя, нерастворимые (3) и слаборастворимые (4) компоненты (рис.1). Таким образом, из капилляра (1) выходит диффузионный поток экстракта, который дополняется потоком целого комплекса компонентов вообще нехарактерных для классических диффузионных процессов. При такой схеме предполагается: существенно сократить продолжительность процесса, поскольку задачу решают мощные гидродинамические, инерционные движущие силы, возможности которых на порядки превышают диффузионные процессы; перенести в раствор большее количество компонентов, создавать коньячные композиции с новыми оттенками аромата и вкуса. 

Перейти на индустриальные принципы производства коньячных спиртов, с управлением как производительности, так и степени насыщения раствора целевыми компонентами для формирования букета.

Предложенные принципы полностью отвечают понятиям нанотехнологий [1]. Представляется, что в общем, мы имеем дело с новым явлением, новым эффектом, название которому можно дать «механодиффузионный эффект при безградиентном волновом подводе электромагнитной энергии к полярным молекулам».

КОМПЛЕКСНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭКСТРАГИРОВАНИЯ В СИСТЕМЕ «КОНЬЯЧНЫЙ СПИРТ – ДРЕВЕСИНА ДУБА»

Выполнен комплекс аналитических и экспериментальных исследований по применению ЭМП – технологий для совершенствования операций извлечения целевых компонентов из древесины дуба [7]. Экспериментальное моделирование проводилось на ряде стендов, исследовались статические характеристики и кинетика массопереноса в условиях микроволнового поля. На первом этапе экспериментов изучались статические режимы массопереноса в условиях ЭМП. 

Стенд состоял из микроволновой камеры, рабочего участка и системы измерения необходимых параметров [7]. Опыты проводились на необработанной и на термообработанной древесине дуба [7]. 

Сравнение результатов опытов показало, что термообработанная древесина практически на порядок повышает значения равновесных концентраций в экстракте. 

Предельные значения концентраций экстракта определялись путем многократного контактирования раствора со свежими порциями древесины. Интересные результаты получены в опытах, когда после обработки в микроволновом поле экстракт выдерживался сутки при температуре окружающей среды. Был замечен гистерезис концентраций, величина которого возрастала пропорционально концентрации раствора. Установлено, что в раствор переходило очень большое количество компонентов древесины. Факты перехода таких объемов древесины в раствор у авторов [6, 7] не вызывали сомнений, материальные балансы и по твердой фазе, и по экстракту многократно проверялись и совпадали. 

Факты повышенного перехода древесины в раствор и обнаруженный гистерезис убедительно свидетельствуют в пользу гипотезы, подтверждают механизм механодиффузии (рис.1). В результате интенсивного инерционного потока раствора из микро- и нанокапилляров древесины дуба в раствор переходят не только водо- и спирторастворимые компоненты.

Основные результаты экспериментального моделирования следующие: Наибольшая концентрация (22,3%) экстрактивных веществ в растворе достигается в комбинации: «коньячный спирт – термообработанная древесина». 

Необработанная древесина обеспечивает концентрацию 2,73%. 45%-й водноспиртовой раствор дает, соответственно, 12,8% и 2,34%.

Максимальное содержание компонентов, которые переходят в раствор, в необработанной древесине составляет 53,7%, а в термообработанной древесине – 87,6%. 

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА КОНЬЯЧНЫХ СПИРТОВ

Формирование органолептических свойств коньячного спирта (КС) определяется сложным комплексом массообменных и биохимических превращений, происходящих при взаимодействии дубовой древесины и КС. Вкус и букет КС, выдержанного в контакте с древесиной дуба, представляет собой сложный комплекс, состоящий из нескольких сотен соединений, которые относятся к разным классам химических веществ и отличаются друг от друга концентрацией и степенью воздействия на аромат и вкус КС [6, 7].

Основой качества будущего напитка является физико-химический состав дубовой древесины и КС. Удачное сочетание комплекса этих свойств обеспечит вкус и аромат будущего напитка. Физико-химические свойства КС определяются характеристикой сырья и технологией ректификации. Характеристика древесины дуба зависит от ее возраста, места произрастания. Улучшение характеристик древесины достигается ее предварительной обработкой. Однако ни один из известных способов предварительной обработки древесины не может однозначно прогнозировать, как данное сочетание «КС–древесина» будет способствовать формированию органолептических свойств КС. 

Многофакторность зависимости качества КС предопределяет интуитивные методы прогнозирования свойств КС. Решение принимается не на основе количественных соотношений, а исходя из опыта и искусства технолога. При этом ошибка, либо неудачное сочетание «КС-древесина» проявляются через годы, а, иногда, и десятилетия. Это выражается в значительных материальных потерях, в переводе качественного сырья в ординарные напитки. 

Разработанный метод (рис.1) предложено использовать для прогнозирования свойств коньячного спирта. Модель будущего напитка получается в результате выполнения 3-х этапов. 

На первом этапе производят интенсивный массоперенос экстрактивных веществ из древесины дуба в КС по схеме (рис.1). Естественно, берутся те сочетания «КС–древесина», прогноз на которые делается. На втором этапе КС, насыщенный экстрактивными веществами древесины, сливают в инертную тару, либо в дубовую бочку. При этом, количество экстрактивных веществ должно соответствовать сроку планируемой выдержки КС, то есть следует получить эквивалент будущего выдержанного КС только по количеству экстрактивных веществ. На третьем этапе происходит непродолжительная выдержка для осуществления окислительно-восстановительных процессов. Срок выдержки определяется достижением устойчивого вкуса. Характерный ароматный букет продукта дозревает быстрее. Общая продолжительность выдержки составляет от 5-ти до 15 месяцев.

Метод проверен в условиях производства. Вот пример выполнения. Молодой коньячный спирт обрабатывался с дубовой древесиной при гидромодуле 1:10. Использовались предварительно подготовленные по стандартной термической технологии бруски древесины дуба. Из этих брусков получали мелкие частицы с соотношением поверхности к объему 12 м-1. Обработка проводилась в микроволновом экстракторе, мощность которого 850Вт. Температура раствора равнялась 72оС. Время экстрагирования составляло 2 часа.

Концентрация экстрактивных веществ в спирте достигала 2,2%, что в 7 раз превышает концентрацию, соответствующую 4-летней резервуарной выержке. Насыщение кислородом производилось из расчета 20 мг/л. Выдержка в стеклянной таре продолжалась 70 суток. 

На протяжении этого срока периодически осуществлялась дегустация спирта. Установлено, что после экстрагирования в микроволновом поле резко улучшается ароматный букет продукта, а улучшение вкуса протекало медленнее. 

Устойчивый вкус, который эквивалентен вкусу коньячного спирта многолетней выдержки, достигался после 40-50 суток. 

Продолжение в следующем номере.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Рынок нано: от нанотехнологий к нанопродуктам /Г.Л.Азоев [и др.]; под ред. Г.Л. Азоева.– М.: БИНОМ, 2011. – 319с.
2. Головин Ю.И. Наномир без формул – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. – 543с.
3. Роко М. Нанотехнологии в ближайшем десятилетии – М.: Мир, 2002.
4. Burdo O.G. Nanoscale effects in food-production technologies // Journal of Engineering Physics and Thermophysics – 2005. – Vol.78, Issue 1. – р.90-96.
5. Бурдо О.Г. Наномасштабные эффекты в пищевых технологиях // Инженерно-физический журнал. Минск, т.78, №1. – 2005. – с.88-93.
6. Терзiєв В.Г., Бурдо О.Г. Моделювання комбінованих процесів при екстрагуванні в системі «спирт- деревина» // Удосконалення існуючих та розробка нових технологій для харчової та зернопереробної промисловості. – Наукові праці ОДАХТ. – Одеса: 1999. – Вип.20. – с. 203–209.
7. Терзiєв В.Г. Iнтенсифiкацiя екстрагування у харчових технологіях В.Г. Терзiєв, П.І. Осадчук, О.Г. Бурдо // Харчова i переробна промисловiсть. –1999. – № 9. – с. 30-31. 
8. А.с. 978040 СССР, МКИ G01N 33/14 Способ оценки качества и возраста выдержанных коньячных спиртов / Н.Т. Семененко, П.М. Кетрарь. –№2854764/28-13; Заявлено 17.12.79; Опубл. 12.11.82, Бюл. №44.
9. Пат. України, МКИ С12G1/02. Екстрактор / В.Г. Терзієв, Т.А. Начаєва, М.Д. Захаров, О.Г. Бурдо – №99095364; Заявл. 29.09.1999; Опубл. 15.09.2000. Бюл. № 4.
10. Терзiєв В.Г., Бурдо О.Г. Прискорення визрiвання коньякових спиртiв в НВЧ-екстракторах //Удосконалення iснуючих та розробка нових технологiй для харчової та зернопереробної промисловостi. – Наук. працi Од. держ. акад. харчових технологiй.– Одеса,1999. – Вип.19. – с.246-251.
11. Бурдо О.Г. Пищевые наноэнерготехнологии – Херсон, 2013 – 294с.