專利名稱：:蘋果原汁發(fā)酵加工技術(shù)的制作方法蘋果原汁發(fā)酵加工技術(shù)
技術(shù)領(lǐng)域：
：一種采用硅橡膠膜生物反應器系統(tǒng)生產(chǎn)蘋果白蘭地酒和無酒精的發(fā)酵酸性飲料的生產(chǎn)工藝，涉及發(fā)酵工程、釀造斗學與膜科學工程領(lǐng)域。技術(shù)背景白蘭地是以各種水果為原料，發(fā)酵成原酒后再經(jīng)蒸餾、jt藏、陳釀、勾兌而成的蒸餾酒。白蘭地主要流行于歐美等國，是世界三大烈性酒之一。近年來隨著我國人民生活水平的改善和提高，人們對酒類飲品的消費需求趨于多樣化，從單一的白酒轉(zhuǎn)向啤酒以及各種營養(yǎng)型果酒。白蘭地作為果酒的典型代表，酒精含量一般在40%(v/v)左右，色澤金黃，果香幽雅，既可以滿足我國消費者追求高酒度的飲用習慣，又以其獨特風味受到人們的青睞。目前發(fā)展以水果資源為原料釀制的白蘭地，可以有效地改變我國以白酒為主體的烈性酒產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，不僅實現(xiàn)節(jié)約釀酒用糧，充分利用現(xiàn)有資源增加社會效益，還可以滿足國內(nèi)市場對果酒的需求，同時為果品深加工業(yè)提供一條良好的途徑。以蘋果為原料生產(chǎn)的白蘭地稱為蘋果白蘭地。國內(nèi)市場上的白蘭地主要以葡萄為原料制成。較葡萄而言，蘋果的成熟期較長，便于存放和運輸，且營養(yǎng)豐富，酸糖適中，是釀制白蘭地的優(yōu)質(zhì)原料。蘋果白蘭地的生產(chǎn)主要有以下幾個步驟挑選出優(yōu)良蘋果進行破碎、榨汁，將所得果汁在自然條件下緩慢發(fā)酵，蒸餾獲得原白蘭地，在橡木桶中成熟得到最后的老熟白蘭地。在沒有加熱和純菌種添加的情況下，發(fā)酵階段一般需要l個月或者更長的時間，周期長且發(fā)酵過程不容易控制。白蘭地的生產(chǎn)過程中，蒸餾是一道非常重要的工序，白蘭地的芳香物質(zhì)主要通過蒸餾隨乙醇一起轉(zhuǎn)入餾出液中，這些成分對形成白蘭地特有的口味和香味具有重要的作用。目前蘋果白蘭地蒸餾形式一般有兩種用壺式蒸餾鍋間歇蒸餾或者蒸餾塔連續(xù)蒸餾。間歇蒸餾采用掐頭去尾的方式，所得酒體風味豐滿，但蒸餾時間較長，蒸餾效率低下；連續(xù)進料的塔式蒸餾，酒質(zhì)純凈，蒸餾效率高。但是無論上述哪種蒸餾方式，均需要將發(fā)酵醪液加熱至沸騰溫度才能將乙醇、水及其他揮發(fā)性物質(zhì)分離。這一熱處理過程必然會引起芳香物質(zhì)的物理或化學損失，同時不可避免地生成影響酒品風味的副產(chǎn)物。膜技術(shù)相對于蒸餾和其他傳統(tǒng)過程，具有操作溫度溫和、能耗低且操作條件靈活等優(yōu)點，被認為是進行酒類飲料脫醇及濃縮和回收飲料中香味物質(zhì)的有效辦法。特別是對于熱敏性物質(zhì)，膜分離是避免熱破壞的有效途徑。國內(nèi)陸健等人(公開號CN1721520A)報道了用反滲透的方法脫除啤酒和黃酒中的乙醇，原料酒在高壓下通過半透膜進行高壓過濾，水和酒精克服自然滲透壓穿過薄膜，而大分子則被截留。所制得的脫醇酒品可以很好地保留原酒的各種風味物質(zhì)。美國專利4816407提出了用膜萃取方法脫除啤酒和葡萄酒中的酒精，采用任何一種可透過乙醇的膜，讓原酒在膜面流動，在膜的另一面用無毒的萃取劑溶解乙醇。這種方法可以較好地保持原酒的芳香物質(zhì)和風味，但存在實際操作性。滲透汽化是目前研究得較多的一種制備低醇或無醇飲料的方法，它利用組分通過膜的溶解與擴散速率的不同來實現(xiàn)分離，其特點是分離過程不收組分汽液平衡的限制，芳香物質(zhì)的損失最小，過程中不需要引入其他化學試劑，避免了產(chǎn)品的污染。采用優(yōu)先透醇疏水膜可以避免反滲透過程因補充損失水分而造成的酒液組成變化。國外有美國專利5013447和5385647分別報道了用交聯(lián)的聚脲復合膜和填充沸石的硅橡膠膜來選擇性地脫除啤酒和葡萄酒中的乙醇。國內(nèi)張志炳等人(公開號CN1373181A)報道了利用硅橡膠復合膜進行葡萄酒和啤酒的脫醇，穿過復合膜的滲透蒸汽在真空狀態(tài)下被分段冷凝，分別作為高度的蒸餾酒如白蘭地和脫醇酒的香味增強物質(zhì)。目前文獻或?qū)＠麍蟮赖睦蒙鲜龇椒ㄉa(chǎn)低醇或無醇飲料均以成品酒(啤酒或其他果酒)為處理對象,從未有人提出來將蘋果汁發(fā)酵與滲透汽化等膜分離技術(shù)直接耦合來脫除發(fā)酵果汁中的乙醇，同時生產(chǎn)低醇發(fā)酵飲料和高醇酒品如白蘭地。本發(fā)明正是從這個角度出發(fā)，將果汁發(fā)酵、產(chǎn)物分離和濃縮整合在一套裝置中，一方面克服傳統(tǒng)白蘭地發(fā)酵周期長，熱處理產(chǎn)生副產(chǎn)物，蒸餾廢水處理困難等問題，另一方面將脫醇后的發(fā)酵醪液加以利用，制成風味獨特、營養(yǎng)豐富的蘋果汁發(fā)酵飲料。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種蘋果原汁發(fā)酵的新工藝，實現(xiàn)蘋果原汁較低溫度下的快速發(fā)酵和發(fā)酵產(chǎn)物的原位分離，并同時生產(chǎn)蘋果白蘭地酒和無酒精的發(fā)酵酸性飲料兩種產(chǎn)品。本發(fā)明的技術(shù)方案為采用硅橡膠膜生物反應器系統(tǒng)進行蘋果原汁發(fā)酵以生產(chǎn)蘋果白蘭地酒和無酒精的發(fā)酵酸性飲料，具體的工藝流程為把硅橡膠復合膜與發(fā)酵反應器結(jié)合構(gòu)成膜生物反應器系統(tǒng)；把新鮮蘋果經(jīng)過清洗、壓榨后制成澄清蘋果汁，投入到發(fā)酵反應器中進行較低溫條件下的快速發(fā)酵；當發(fā)酵到一定程度后，啟動膜分離裝置，用泵把發(fā)酵液送入膜組件，將其中的輕組分物質(zhì)(乙醇和其他芳香成分)選擇性地分離出來，膜面截留的發(fā)酵液再回到發(fā)酵反應器繼續(xù)發(fā)酵，發(fā)酵液反復循環(huán)直至其中的乙醇降到目標濃度；透過膜的蒸汽混合物被送入真空精餾塔進行濃縮，得到塔頂?shù)母呔凭珴舛鹊漠a(chǎn)品和塔底的芳香物質(zhì)；被膜截留的殘余發(fā)酵液用離心分離或者過濾去除酵母細胞、再經(jīng)過多級過濾或澄清處理除掉沉淀物質(zhì)。本發(fā)明以將硅橡膠復合膜分離器、循環(huán)泵和發(fā)酵反應器等連接成一個閉合的循環(huán)回路組成膜生物反應器系統(tǒng)的核心單元，主要設(shè)備還包括蘋果壓搾機1、果汁離心機或過濾機2、真空精餾塔8、真空泵9、細胞分離器13、過濾器15、17和各料液儲罐。為了以較高效率分離得到純凈的下游產(chǎn)品，同時充分保證果汁發(fā)酵液天然營養(yǎng)成分的完整性，本發(fā)明采用滲透汽化回收產(chǎn)物，讓揮發(fā)性物質(zhì)以蒸汽形式透過，同時將細胞和其他非揮發(fā)性物質(zhì)截留下來。所采用的硅橡膠復合膜為優(yōu)先透有機物的滲透汽化膜，能選擇性地分離蘋果汁發(fā)酵液中的輕組分物質(zhì)(乙醇和其他芳香成分)。采用的發(fā)酵反應器為普通的液體發(fā)酵反應器，兼有發(fā)酵罐和滲透汽化料液儲罐的功能。本發(fā)明采用新鮮蘋果汁為原料，制成澄清液后發(fā)酵，以離心分離或者過濾的處理方式為佳，不添加任何化學試劑，以純培養(yǎng)酵母為發(fā)酵微生物，發(fā)酵溫度在10-4(TC，以15-25'C為最佳。產(chǎn)物分離和果汁發(fā)酵在同一低溫條件下進行，減少了加熱料液所需的能耗且保證了酵母細胞代謝不受產(chǎn)物回收過程的影響。膜分離過程發(fā)酵液在膜面上的循環(huán)流速為0.02-1.0m/s，膜透過側(cè)的壓力為0-10mmHg。滲透汽化初步分離獲得的混合物中乙醇含量不足以達到高醇酒的要求，需經(jīng)過進一步濃縮，使得產(chǎn)品酒精濃度達到409Kv/v)以上，才可直接作為白蘭地酒的原料。發(fā)酵殘余液具有酸度適中、酒精和乙醇含量低等特點，加入精餾塔塔底的餾出物作增香劑，再經(jīng)過其他調(diào)配處理，可作為蘋果汁發(fā)酵酸性飲料的原料。本發(fā)明的有益效果將蘋果汁發(fā)酵與滲透汽化膜分離相耦合，實現(xiàn)了微生物的低溫快速發(fā)酵和代謝產(chǎn)物的同步分離，與現(xiàn)有工藝相比，產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率高，生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)總能耗低。采用一套工藝流程同時生產(chǎn)兩種產(chǎn)品，提高了設(shè)備的利用率，且實現(xiàn)了蘋果汁發(fā)酵產(chǎn)物的綜合利用。低溫生產(chǎn)工藝能較好的保留原料及發(fā)酵液中的熱敏性物質(zhì)，沒有因熱處理而生成的影響產(chǎn)品風味的物質(zhì)。該生產(chǎn)工藝的特點是流程簡單、設(shè)備緊湊、可操作性強，既可以建設(shè)成大型的生產(chǎn)裝置，進行集中的、大規(guī)模蘋果白蘭地和蘋果酸性飲料的生產(chǎn)和供應，也可以構(gòu)造集成化的小裝置，用于個性化生產(chǎn)或零星小規(guī)模原料的加工。為我國的蘋果深加工業(yè)提供了一條良好的發(fā)展途徑。附圖是硅橡膠膜生物反應器系統(tǒng)蘋果原汁發(fā)酵系統(tǒng)流程圖。其中l(wèi)一榨汁機；2—離心機；3—果汁儲罐；4、6、14、16—輸送泵；5.發(fā)酵反應器；7—膜組件；8一精餾塔；9一真空泵；IO—塔釜液儲罐；ll一白蘭地原酒儲罐；12—殘余發(fā)酵液儲罐；13—細胞分離器;15—過濾器I;17—過濾器II;18—澄清液儲罐；19一發(fā)酵飲料儲罐具體實施實例實施實例1:將一個硅橡膠復合膜面積為0.08m2的平板膜組件與容積為5L的發(fā)酵罐和其他設(shè)備相連接構(gòu)成膜生物反應器的小試裝置。先將新鮮蘋果洗凈、削皮、榨汁并通過離心分離使之快速澄清。將處理好的蘋果汁加入到發(fā)酵罐中，按3%的接種量接入蘋果酒酵母種子液，發(fā)酵初始時刻鼓入適量的無菌空氣。25'C發(fā)酵124h后，發(fā)酵液中的酒精濃度達到4.969Kw/w)時，啟動滲透汽化膜分離裝置。用轉(zhuǎn)子流量計控制發(fā)酵液循環(huán)流速為0.08m/s，膜后側(cè)真空度維持在10mmHg。循環(huán)分離24h，發(fā)酵液酒精濃度降低至1.03%(w/w)，殘?zhí)菨舛葹?.5g/L。精餾塔收集的乙醇產(chǎn)品濃度為42%(v/v)，無色透明，具有清新的蘋香氣，無因蒸餾引起的辛辣和苦澀味。將發(fā)酵殘余液經(jīng)過離心分離除去酵母細胞，再用0.45;mi的微孔濾膜過濾后得到金黃色的澄清透明液體。塔頂餾出液中的主要芳香成分及截留液中的有機酸成分見表1和表2。表l滲透液中的主要芳香成分及其濃度(mg/100ml)乙醛乙酸乙酯正丙醇正丁醇仲丁醇異丁醇異戊醇1.342.455.573.230.2875.04416.62表2截留液中的有機酸及含量(mg/ml)草酸酒石酸蘋果酸Vc乳酸檸檬酸乙酸琥珀酸0,450.3451.5790.1001.4000.049252.6331.431實施實例2:將一個硅橡膠復合膜面積為0.081112的平板膜組件與容積為5L的發(fā)酵罐和其他設(shè)備相連接構(gòu)成膜生物反應器的小試裝置。蘋果汁處理方式同1。將預處理好的澄清蘋果汁加入到發(fā)酵罐中，按1%的接種量接入干酵母活化種子液，發(fā)酵初始時刻鼓入適量的無菌空氣。30'C發(fā)酵13處后，發(fā)酵液中的酒精濃度達到4.75免(w/w)時，啟動滲透汽化膜分離裝置。用轉(zhuǎn)子流量計控制發(fā)酵液循環(huán)流速為0.08m/s，膜后側(cè)真空度維持在10mmHg。發(fā)酵液循環(huán)分離36h，發(fā)酵液中的酒精濃度降低至1.14%(w/w)，殘?zhí)菨舛葹?.15g/L。精餾塔收集的乙醇產(chǎn)品濃度為45%(v/v)，無色透明，具有清新的蘋香氣，無因蒸餾引起的辛辣和苦澀味。將發(fā)酵殘余液經(jīng)過離心分離除去酵母細胞，再用0.45/n的微孔濾膜過濾后得到金黃色的澄清透明液體。塔頂餾出液中的主要芳香成分及截留液中的有機酸成分見表3和表4。表3滲透液中的主要芳香成分及其濃度(mg/100ml)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>實施實例3:與實施實例l的方法相同。25'C發(fā)酵161h后，發(fā)酵液中的酒精濃度達到5.59。/。(w/w)時，啟動滲透汽化膜分離裝置。發(fā)酵液循環(huán)分離24h，發(fā)酵液中的酒精濃度降低至0.96%(w/w),殘?zhí)菨舛葹?.13g/L。精餾塔收集的乙醇產(chǎn)品濃度為39%(v/v)，無色透明，A有清新的蘋香氣，無閃蒸餾引起的辛辣和苦澀味。將截留液經(jīng)過離心分離除去酵母細胞，再用0.45pm的微孔濾膜過濾后得到金黃色的澄清透明液體。塔頂餾出液中的主耍芳香成分及截留液中的有機酸成分見表5和表6。表5滲透液中的主要芳香成分及其濃度(mg/100ml)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>權(quán)利要求1.一種采用硅橡膠膜生物反應器系統(tǒng)進行蘋果原汁發(fā)酵以生產(chǎn)蘋果白蘭地酒和無酒精的發(fā)酵酸性飲料的生產(chǎn)工藝，其特征在于把硅橡膠復合膜與發(fā)酵反應器結(jié)合構(gòu)成膜生物反應器系統(tǒng)；把新鮮蘋果經(jīng)過清洗、壓榨后制成澄清蘋果汁，投入到發(fā)酵反應器中進行較低溫度條件下的快速發(fā)酵；當發(fā)酵到一定程度后，啟動膜分離裝置，用泵把發(fā)酵液送入膜組件，將其中的輕組分物質(zhì)(乙醇和其他芳香成分)選擇性地分離出來，膜面截留的發(fā)酵液再回到發(fā)酵反應器繼續(xù)發(fā)酵，發(fā)酵液反復循環(huán)直至其中的乙醇降到目標濃度；透過膜的蒸汽混合物被送入真空精餾塔進行濃縮，得到塔頂?shù)母呔凭珴舛鹊漠a(chǎn)品和塔底的芳香物質(zhì)；被膜截留的殘余發(fā)酵液用離心分離或者過濾去除酵母細胞、再經(jīng)過多級過濾或澄清處理除掉沉淀物質(zhì)。2.按照權(quán)利要求l所述的生產(chǎn)蘋果白蘭地和無酒精的發(fā)酵酸性飲料的工藝，其特征在于將桂橡膠復合膜分離器、循環(huán)泵和發(fā)酵反應器等連接成一個閉合的循環(huán)回路組成膜生物反應器系統(tǒng)的核心單元，主要設(shè)備還包括蘋果汁壓榨機(1)、果汁離心機或過濾機(2)、真空精餾塔(8)、真空泵(9)、細胞分離器(13)、過濾器(15)(17)和各料液儲罐。3.按照權(quán)利要求l所述的生產(chǎn)蘋果白蘭地和無酒精的發(fā)酵酸性飲料的工藝，其特征在于所述的發(fā)酵產(chǎn)物分離過程為滲透汽化，讓揮發(fā)性物質(zhì)以蒸汽形式透過，將發(fā)酵微生物細胞和其他非揮發(fā)性物質(zhì)截留下來。4.按照權(quán)利要求l所述的生產(chǎn)蘋果白蘭地和無酒精的發(fā)酵酸性飲料的工藝，其特征在于所述的硅橡膠復合膜為優(yōu)先透有機物的滲透汽化膜，能選擇性地分離蘋果汁發(fā)酵液中的輕組分物質(zhì)(乙醇和其他芳香成分)。5.按照權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)蘋果白蘭地和無酒精的發(fā)酵酸性飲料的工藝，其特征在于所述的發(fā)酵反應器為普通的液體發(fā)酵反應器，兼作發(fā)酵罐和滲透汽化料液罐。6.按照權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)蘋果白蘭地和無酒精的發(fā)酵酸性飲料的工藝，其特征在于采用新鮮蘋果汁為原料，制成澄清液后發(fā)酵，以離心分離或者過濾的處理方式為佳，不添加任何化學試劑。7.按照權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)蘋果白蘭地和無酒精的發(fā)酵酸性飲料的工藝，其特征在于以純培養(yǎng)酵母為發(fā)酵微生物，發(fā)酵溫度在10-4(TC，以15-25'C為最佳。8.按照權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)蘋果白蘭地和無酒精的發(fā)酵酸性飲料的工藝，其特征在于果汁發(fā)酵和產(chǎn)物分離在同一較低溫條件下進行。9.按照權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)蘋果白蘭地和無酒精的發(fā)酵酸性飲料的工藝，其特征在于膜分離過程發(fā)酵液在膜面上的循環(huán)流速為0.02-1.0m/s，膜透過側(cè)的壓力為0-10mmHg。10.按照權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)蘋果白蘭地和無酒精的發(fā)酵酸性飲料的工藝，其特征在于精餾塔塔頂收集的產(chǎn)品酒精濃度在40免(vAO以上，可直接作為白蘭地酒的原料。11.按照權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)蘋果白蘭地和無酒精的發(fā)酵酸性飲料的工藝，其特征在于將發(fā)酵澄清液與精餾塔塔底的芳香物質(zhì)相混合，并經(jīng)過其他調(diào)配處理，作為蘋果汁發(fā)酵酸性飲料的原料。專利摘要本發(fā)明是采用硅橡膠膜生物反應器系統(tǒng)進行蘋果原汁發(fā)酵以生產(chǎn)蘋果白蘭地酒和無酒精的發(fā)酵酸性飲料的生產(chǎn)工藝，其要點是把具有選擇性滲透汽化分離特征的硅橡膠(PDMS)復合膜與普通的發(fā)酵反應器結(jié)合構(gòu)成膜生物反應器系統(tǒng)，把新鮮的蘋果原汁投入到該系統(tǒng)中進行較低溫度下的快速發(fā)酵，當發(fā)酵到一定程度后，利用膜的選擇性分離功能把發(fā)酵液中的酒精在低溫條件下連續(xù)提取出來作為白蘭地酒的原料；被膜所截留的殘余發(fā)酵液經(jīng)過濾澄清則作為蘋果汁發(fā)酵酸性飲料的原料。該生產(chǎn)工藝的特點是流程簡單、設(shè)備緊湊、可操作性強，既可以建設(shè)成大型的生產(chǎn)裝置，進行集中的、大規(guī)模蘋果白蘭地和蘋果酸性飲料的生產(chǎn)和供應，也可以構(gòu)造集成化的小裝置，用于個性化生產(chǎn)或零星小規(guī)模原料的加工。文檔編號A23L2/84GKCN101156709SQ200710050493公開日2008年4月9日申請日期2007年11月14日發(fā)明者勇伍,伍云濤,周一慧,張鴻翔,湯曉玉,肖澤儀,慶鄒,鐘月華申請人:四川大學導出引文BiBTeX,EndNote,RefMan