CN101156709A - 苹果原汁发酵加工技术 - Google Patents

Abstract

本发明是采用硅橡胶膜生物反应器系统进行苹果原汁发酵以生产苹果白兰地酒和无酒精的发酵酸性饮料的生产工艺，其要点是：把具有选择性渗透汽化分离特征的硅橡胶(PDMS)复合膜与普通的发酵反应器结合构成膜生物反应器系统，把新鲜的苹果原汁投入到该系统中进行较低温度下的快速发酵，当发酵到一定程度后，利用膜的选择性分离功能把发酵液中的酒精在低温条件下连续提取出来作为白兰地酒的原料；被膜所截留的残余发酵液经过滤澄清则作为苹果汁发酵酸性饮料的原料。该生产工艺的特点是流程简单、设备紧凑、可操作性强，既可以建设成大型的生产装置，进行集中的、大规模苹果白兰地和苹果酸性饮料的生产和供应，也可以构造集成化的小装置，用于个性化生产或零星小规模原料的加工。

Description

苹果原汁发酵加工技术

技术领域

一种采用硅橡胶膜生物反应器系统生产苹果白兰地酒和无酒精的发酵酸性饮料的生产工艺，涉及发酵工程、酿造科学与膜科学工程领域。

技术背景

白兰地是以各种水果为原料，发酵成原酒后再经蒸馏、贮藏、陈酿、勾兑而成的蒸馏酒。白兰地主要流行于欧美等国，是世界三大烈性酒之一。近年来随着我国人民生活水平的改善和提高，人们对酒类饮品的消费需求趋于多样化，从单一的白酒转向啤酒以及各种营养型果酒。白兰地作为果酒的典型代表，酒精含量一般在40％(v/v)左右，色泽金黄，果香幽雅，既可以满足我国消费者追求高酒度的饮用习惯，又以其独特风味受到人们的青睐。目前发展以水果资源为原料酿制的白兰地，可以有效地改变我国以白酒为主体的烈性酒产品结构，不仅实现节约酿酒用粮，充分利用现有资源增加社会效益，还可以满足国内市场对果酒的需求，同时为果品深加工业提供一条良好的途径。

以苹果为原料生产的白兰地称为苹果白兰地。国内市场上的白兰地主要以葡萄为原料制成。较葡萄而言，苹果的成熟期较长，便于存放和运输，且营养丰富，酸糖适中，是酿制白兰地的优质原料。苹果白兰地的生产主要有以下几个步骤：挑选出优良苹果进行破碎、榨汁，将所得果汁在自然条件下缓慢发酵，蒸馏获得原白兰地，在橡木桶中成熟得到最后的老熟白兰地。在没有加热和纯菌种添加的情况下，发酵阶段一般需要1个月或者更长的时间，周期长且发酵过程不容易控制。白兰地的生产过程中，蒸馏是一道非常重要的工序，白兰地的芳香物质主要通过蒸馏随乙醇一起转入馏出液中，这些成分对形成白兰地特有的口味和香味具有重要的作用。目前苹果白兰地蒸馏形式一般有两种：用壶式蒸馏锅间歇蒸馏或者蒸馏塔连续蒸馏。间歇蒸馏采用掐头去尾的方式，所得酒体风味丰满，但蒸馏时间较长，蒸馏效率低下；连续进料的塔式蒸馏，酒质纯净，蒸馏效率高。但是无论上述哪种蒸馏方式，均需要将发酵醪液加热至沸腾温度才能将乙醇、水及其他挥发性物质分离。这一热处理过程必然会引起芳香物质的物理或化学损失，同时不可避免地生成影响酒品风味的副产物。

膜技术相对于蒸馏和其他传统过程，具有操作温度温和、能耗低且操作条件灵活等优点，被认为是进行酒类饮料脱醇及浓缩和回收饮料中香味物质的有效办法。特别是对于热敏性物质，膜分离是避免热破坏的有效途径。国内陆健等人(公开号CN1721520A)报道了用反渗透的方法脱除啤酒和黄酒中的乙醇，原料酒在高压下通过半透膜进行高压过滤，水和酒精克服自然渗透压穿过薄膜，而大分子则被截留。所制得的脱醇酒品可以很好地保留原酒的各种风味物质。美国专利4816407提出了用膜萃取方法脱除啤酒和葡萄酒中的酒精，采用任何一种可透过乙醇的膜，让原酒在膜面流动，在膜的另一面用无毒的萃取剂溶解乙醇。这种方法可以较好地保持原酒的芳香物质和风味，但存在实际操作性。渗透汽化是目前研究得较多的一种制备低醇或无醇饮料的方法，它利用组分通过膜的溶解与扩散速率的不同来实现分离，其特点是分离过程不收组分汽液平衡的限制，芳香物质的损失最小，过程中不需要引入其他化学试剂，避免了产品的污染。采用优先透醇疏水膜可以避免反渗透过程因补充损失水分而造成的酒液组成变化。国外有美国专利5013447和5385647分别报道了用交联的聚脲复合膜和填充沸石的硅橡胶膜来选择性地脱除啤酒和葡萄酒中的乙醇。国内张志炳等人(公开号CN1373181A)报道了利用硅橡胶复合膜进行葡萄酒和啤酒的脱醇，穿过复合膜的渗透蒸汽在真空状态下被分段冷凝，分别作为高度的蒸馏酒如白兰地和脱醇酒的香味增强物质。

目前文献或专利报道的利用上述方法生产低醇或无醇饮料均以成品酒(啤酒或其他果酒)为处理对象，从未有人提出来将苹果汁发酵与渗透汽化等膜分离技术直接耦合来脱除发酵果汁中的乙醇，同时生产低醇发酵饮料和高醇酒品如白兰地。本发明正是从这个角度出发，将果汁发酵、产物分离和浓缩整合在一套装置中，一方面克服传统白兰地发酵周期长，热处理产生副产物，蒸馏废水处理困难等问题，另一方面将脱醇后的发酵醪液加以利用，制成风味独特、营养丰富的苹果汁发酵饮料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种苹果原汁发酵的新工艺，实现苹果原汁较低温度下的快速发酵和发酵产物的原位分离，并同时生产苹果白兰地酒和无酒精的发酵酸性饮料两种产品。

本发明的技术方案为采用硅橡胶膜生物反应器系统进行苹果原汁发酵以生产苹果白兰地酒和无酒精的发酵酸性饮料，具体的工艺流程为：把硅橡胶复合膜与发酵反应器结合构成膜生物反应器系统；把新鲜苹果经过清洗、压榨后制成澄清苹果汁，投入到发酵反应器中进行较低温条件下的快速发酵；当发酵到一定程度后，启动膜分离装置，用泵把发酵液送入膜组件，将其中的轻组分物质(乙醇和其他芳香成分)选择性地分离出来，膜面截留的发酵液再回到发酵反应器继续发酵，发酵液反复循环直至其中的乙醇降到目标浓度；透过膜的蒸汽混合物被送入真空精馏塔进行浓缩，得到塔顶的高酒精浓度的产品和塔底的芳香物质；被膜截留的残余发酵液用离心分离或者过滤去除酵母细胞、再经过多级过滤或澄清处理除掉沉淀物质。

本发明以将硅橡胶复合膜分离器、循环泵和发酵反应器等连接成一个闭合的循环回路组成膜生物反应器系统的核心单元，主要设备还包括苹果压榨机1、果汁离心机或过滤机2、真空精馏塔8、真空泵9、细胞分离器13、过滤器15、17和各料液储罐。

为了以较高效率分离得到纯净的下游产品，同时充分保证果汁发酵液天然营养成分的完整性，本发明采用渗透汽化回收产物，让挥发性物质以蒸汽形式透过，同时将细胞和其他非挥发性物质截留下来。所采用的硅橡胶复合膜为优先透有机物的渗透汽化膜，能选择性地分离苹果汁发酵液中的轻组分物质(乙醇和其他芳香成分)。采用的发酵反应器为普通的液体发酵反应器，兼有发酵罐和渗透汽化料液储罐的功能。

本发明采用新鲜苹果汁为原料，制成澄清液后发酵，以离心分离或者过滤的处理方式为佳，不添加任何化学试剂，以纯培养酵母为发酵微生物，发酵温度在10-40℃，以15-25℃为最佳。产物分离和果汁发酵在同一低温条件下进行，减少了加热料液所需的能耗且保证了酵母细胞代谢不受产物回收过程的影响。膜分离过程发酵液在膜面上的循环流速为0.02-1.0m/s，膜透过侧的压力为0-10mmHg。

渗透汽化初步分离获得的混合物中乙醇含量不足以达到高醇酒的要求，需经过进一步浓缩，使得产品酒精浓度达到40％(v/v)以上，才可直接作为白兰地酒的原料。发酵残余液具有酸度适中、酒精和乙醇含量低等特点，加入精馏塔塔底的馏出物作增香剂，再经过其他调配处理，可作为苹果汁发酵酸性饮料的原料。

本发明的有益效果：将苹果汁发酵与渗透汽化膜分离相耦合，实现了微生物的低温快速发酵和代谢产物的同步分离，与现有工艺相比，产品转化率高，生产周期短，生产总能耗低。采用一套工艺流程同时生产两种产品，提高了设备的利用率，且实现了苹果汁发酵产物的综合利用。低温生产工艺能较好的保留原料及发酵液中的热敏性物质，没有因热处理而生成的影响产品风味的物质。该生产工艺的特点是流程简单、设备紧凑、可操作性强，既可以建设成大型的生产装置，进行集中的、大规模苹果白兰地和苹果酸性饮料的生产和供应，也可以构造集成化的小装置，用于个性化生产或零星小规模原料的加工。为我国的苹果深加工业提供了一条良好的发展途径。

附图说明

附图是硅橡胶膜生物反应器系统苹果原汁发酵系统流程图。

其中1-榨汁机；2-离心机；3-果汁储罐；4、6、14、16-输送泵；5.发酵反应器；7-膜组件；8-精馏塔；9-真空泵；10-塔釜液储罐；11-白兰地原酒储罐；12-残余发酵液储罐；13-细胞分离器；15-过滤器I；17-过滤器II；18-澄清液储罐；19-发酵饮料储罐

具体实施实例

实施实例1：将一个硅橡胶复合膜面积为0.08m²的平板膜组件与容积为5L的发酵罐和其他设备相连接构成膜生物反应器的小试装置。先将新鲜苹果洗净、削皮、榨汁并通过离心分离使之快速澄清。将处理好的苹果汁加入到发酵罐中，按3％的接种量接入苹果酒酵母种子液，发酵初始时刻鼓入适量的无菌空气。25℃发酵124h后，发酵液中的酒精浓度达到4.96％(w/w)时，启动渗透汽化膜分离装置。用转子流量计控制发酵液循环流速为0.08m/s，膜后侧真空度维持在10mmHg。循环分离24h，发酵液酒精浓度降低至1.03％(w/w)，残糖浓度为1.5g/L。精馏塔收集的乙醇产品浓度为42％(v/v)，无色透明，具有清新的苹香气，无因蒸馏引起的辛辣和苦涩味。将发酵残余液经过离心分离除去酵母细胞，再用0.4μm的微孔滤膜过滤后得到金黄色的澄清透明液体。塔顶馏出液中的主要芳香成分及截留液中的有机酸成分见表1和表2。

表1渗透液中的主要芳香成分及其浓度(mg/100ml)

乙醛	乙酸乙酯	正丙醇	正丁醇	仲丁醇	异丁醇	异戊醇
							1.34	2.45	5.57	3.23	0.28	75.04	416.62

表2截留液中的有机酸及含量(mg/ml)

草酸	酒石酸	苹果酸	Vc	乳酸	柠檬酸	乙酸	琥珀酸
								0.45	0.345	1.579	0.100	1.400	0.0492	52.633	1.431

实施实例2：将一个硅橡胶复合膜面积为0.08m²的平板膜组件与容积为5L的发酵罐和其他设备相连接构成膜生物反应器的小试装置。苹果汁处理方式同1。将预处理好的澄清苹果汁加入到发酵罐中，按1％的接种量接入干酵母活化种子液，发酵初始时刻鼓入适量的无菌空气。30℃发酵139h后，发酵液中的酒精浓度达到4.75％(w/w)时，启动渗透汽化膜分离装置。用转子流量计控制发酵液循环流速为0.08m/s，膜后侧真空度维持在10mmHg。发酵液循环分离36h，发酵液中的酒精浓度降低至1.14％(w/w)，残糖浓度为1.15g/L。精馏塔收集的乙醇产品浓度为45％(v/v)，无色透明，具有清新的苹香气，无因蒸馏引起的辛辣和苦涩味。将发酵残余液经过离心分离除去酵母细胞，再用0.45μm的微孔滤膜过滤后得到金黄色的澄清透明液体。塔顶馏出液中的主要芳香成分及截留液中的有机酸成分见表3和表4。

表3渗透液中的主要芳香成分及其浓度(mg/100ml)

乙醛	乙酸乙酯	正丙醇	正丁醇	仲丁醇	异丁醇	异戊醇
							1.73	25.92	19.82	11.00	0.55	95.88	441.60

表4截留液中的有机酸及含量(mg/ml)

草酸	酒石酸	苹果酸	Vc	乳酸	柠檬酸	乙酸	琥珀酸
								0.316	0.430	4.414	0.278	0.444	0.592	36.382	0.984

实施实例3：与实施实例1的方法相同。25℃发酵161h后，发酵液中的酒精浓度达到5.59％(w/w)时，启动渗透汽化膜分离装置。发酵液循环分离24h，发酵液中的酒精浓度降低至0.96％(w/w)，残糖浓度为2.13g/L。精馏塔收集的乙醇产品浓度为39％(v/v)，无色透明，具有清新的苹香气，无因蒸馏引起的辛辣和苦涩味。将截留液经过离心分离除去酵母细胞，再用0.45μm的微孔滤膜过滤后得到金黄色的澄清透明液体。塔顶馏出液中的主要芳香成分及截留液中的有机酸成分见表5和表6。

表5渗透液中的主要芳香成分及其浓度(mg/100ml)

乙醛	乙酸乙酯	正丙醇	正丁醇	仲丁醇	异丁醇	异戊醇
							4.95	34.03	22.48	16.03	2.97	86.08	428.50

表6截留液中的有机酸及含量(mg/ml)

草酸	酒石酸	苹果酸	Vc	乳酸	柠檬酸	乙酸	琥珀酸
								0.028	0.352	3.634	0.054	0.254	0.488	9.0	0.814

Claims (11)

1.一种采用硅橡胶膜生物反应器系统进行苹果原汁发酵以生产苹果白兰地酒和无酒精的发酵酸性饮料的生产工艺，其特征在于：把硅橡胶复合膜与发酵反应器结合构成膜生物反应器系统；把新鲜苹果经过清洗、压榨后制成澄清苹果汁，投入到发酵反应器中进行较低温度条件下的快速发酵；当发酵到一定程度后，启动膜分离装置，用泵把发酵液送入膜组件，将其中的轻组分物质(乙醇和其他芳香成分)选择性地分离出来，膜面截留的发酵液再回到发酵反应器继续发酵，发酵液反复循环直至其中的乙醇降到目标浓度；透过膜的蒸汽混合物被送入真空精馏塔进行浓缩，得到塔顶的高酒精浓度的产品和塔底的芳香物质；被膜截留的残余发酵液用离心分离或者过滤去除酵母细胞、再经过多级过滤或澄清处理除掉沉淀物质。

2.按照权利要求1所述的生产苹果白兰地和无酒精的发酵酸性饮料的工艺，其特征在于将硅橡胶复合膜分离器、循环泵和发酵反应器等连接成一个闭合的循环回路组成膜生物反应器系统的核心单元，主要设备还包括苹果汁压榨机(1)、果汁离心机或过滤机(2)、真空精馏塔(8)、真空泵(9)、细胞分离器(13)、过滤器(15)(17)和各料液储罐。

3.按照权利要求1所述的生产苹果白兰地和无酒精的发酵酸性饮料的工艺，其特征在于所述的发酵产物分离过程为渗透汽化，让挥发性物质以蒸汽形式透过，将发酵微生物细胞和其他非挥发性物质截留下来。

4.按照权利要求1所述的生产苹果白兰地和无酒精的发酵酸性饮料的工艺，其特征在于所述的硅橡胶复合膜为优先透有机物的渗透汽化膜，能选择性地分离苹果汁发酵液中的轻组分物质(乙醇和其他芳香成分)。

5.按照权利要求1所述的生产苹果白兰地和无酒精的发酵酸性饮料的工艺，其特征在于所述的发酵反应器为普通的液体发酵反应器，兼作发酵罐和渗透汽化料液罐。

6.按照权利要求1所述的生产苹果白兰地和无酒精的发酵酸性饮料的工艺，其特征在于采用新鲜苹果汁为原料，制成澄清液后发酵，以离心分离或者过滤的处理方式为佳，不添加任何化学试剂。

7.按照权利要求1所述的生产苹果白兰地和无酒精的发酵酸性饮料的工艺，其特征在于以纯培养酵母为发酵微生物，发酵温度在10-40℃，以15-25℃为最佳。

8.按照权利要求1所述的生产苹果白兰地和无酒精的发酵酸性饮料的工艺，其特征在于果汁发酵和产物分离在同一较低温条件下进行。

9.按照权利要求1所述的生产苹果白兰地和无酒精的发酵酸性饮料的工艺，其特征在于膜分离过程发酵液在膜面上的循环流速为0.02-1.0m/s，膜透过侧的压力为0-10mmHg。

10.按照权利要求1所述的生产苹果白兰地和无酒精的发酵酸性饮料的工艺，其特征在于精馏塔塔顶收集的产品酒精浓度在40％(v/v)以上，可直接作为白兰地酒的原料。

11.按照权利要求1所述的生产苹果白兰地和无酒精的发酵酸性饮料的工艺，其特征在于将发酵澄清液与精馏塔塔底的芳香物质相混合，并经过其他调配处理，作为苹果汁发酵酸性饮料的原料。

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