ĆWICZENIE NR 6. Gorzelnictwo i wyroby spirytusowe część teoretyczna

Transkrypt

1 ĆWICZENIE NR 6 Gorzelnictwo i wyroby spirytusowe część teoretyczna GORZELNICTWO Przemysł fermentacyjny dostarcza na rynek duże ilości wyrobów takich jak: wino, piwo i spirytus (z którego otrzymuje się wódki). Przy wyrobie tych napojów wykorzystuje się funkcje życiowe komórek drożdży, przekształcających cukry w etanol. Surowce, z których otrzymuje się alkohol muszą zatem zawierać odpowiednie cukrowce. Roztwory sacharozy mogą być bezpośrednio poddane fermentacji z udziałem drożdży, natomiast wielocukry (np. skrobia) nie ulegają fermentacji i muszą być uprzednio poddane hydrolizie do tzw. cukrów fermentujących, głównie cukrów prostych i dwucukrów metabolizowanych przez drożdże. Gorzelnictwo jest to gałąź przemysłu fermentacyjnego obejmująca produkcję spirytusu surowego na drodze fermentacji alkoholowej cukrów, a następnie wydzielenie tego spirytusu z odfermentowanego zacieru. Do produkcji spirytusu wykorzystuje się wiele surowców roślinnych zawierających różne węglowodany. Można je podzielić na dwie grupy: surowce zawierające wielocukry oraz surowce zawierające cukry bezpośrednio fermentujące, głównie sacharozę, glukozę, fruktozę. Do pierwszej grupy można zaliczyć: ziemniaki, zboża, odpady krochmalnictwa, mąki, kasze, otręby. Do drugiej grupy zaliczamy: melasę, buraki cukrowe, trzcinę cukrową, marchew, owoce świeże i suszone, odpady przemysłu owocowego. Gorzelnie rolnicze przerabiają głównie surowce pochodzenia rolniczego (ziemniaki, zboża, buraki, owoce, warzywa, nasiona chwastów, poślad, kasztany, żołędzie itp.) Gorzelnie przemysłowe przerabiają surowce (odpady) pochodzenia przemysłowego (melasę, ługi posulfitowe itp.) W gorzelnictwie ziemniaczanym i zbożowym produkcja spirytusu obejmuje następujące etapy: parowanie surowca, zacieranie, fermentację zacieru i odpęd spirytusu. Parowanie ma na celu rozluźnienie substancji międzykomórkowych, rozerwanie błon komórkowych, uwolnienie skrobi, skleikowanie jej i w maksymalnym stopniu przeprowadzenie jej w stan rozpuszczony. Odbywa się to w aparatach zwanych parnikami pod ciśnieniem około 390 kpa (4 atm). Sposób parowania surowców: Ziemniaki czas parowania min. (ziemniaki zamarznięte 2 godziny) przy nadciśnieniu 3 4 atm. Bardzo dobre rozpławienie skrobi uzyskuje się wtedy, gdy ilość wody przekracza co najmniej 4 krotnie zawartość skrobi w ziemniakach. Zboża parowanie prowadzi się ponad godzinę (w tym min przy nadciśnieniu 4 atm). Mąka, zmiotki, wytrzepy nadciśnienie 0,5 atm. przez 45 min. Owoce zaraz po uzyskaniu 2 atm. nadciśnienia wypuszcza się zacier, który ma kolor brunatny (proces karmelizacji). 1

2 Do uparowanych surowców dodaje się słód jęczmienny w postaci rozdrobnionej lub tzw. mleczka słodowego i poddaje zacieraniu obejmującemu szereg procesów enzymatycznych. Do najważniejszych należą procesy hydrolizy skrobi, potocznie określane jako scukrzanie skrobi. W temperaturach zbliżonych do 60 0 C amylaza oraz inne enzymy słodu mają wystarczającą aktywność (optimum dla słodu jęczmiennego mieści się w przedziale O C), oraz zostaje ograniczony rozwój niepożądanych drobnoustrojów. Generalnie optymalne ph dla amylaz wynosi 4,0 5,4 (β amylazy = 4,6; α amylazy = 5,8) i zmienia się w zależności od temperatury: 40 O C = 4,6 ph 60 O C = 5,2 ph 50 O C = 4,8 ph 65 O C = 5,6 ph Punktami granicznymi aktywności amylaz są wartości ph 2,3 i 9,7. Masa rozgotowanych ziemniaków ma ph 4,9 5,6 co w przeliczeniu na stopnie Delbrücka [ 0 D] wynosi 0,2 0,5 O D, w przypadku ziemniaków nadpsutych 0,4 0,6 0 D. Stopień Delbrücka określa ilość cm 3 1 M NaOH potrzebną do zobojętnienia 20 cm 3 zacieru. Zacieranie trwa średnio 0,5 2 godzin kontrolę scukrzania przeprowadza się metodą jodową. W gorzelnictwie wykorzystuje się tzw. słód długi (okres słodowania od dni), zielony (mokry nie suszony) doskonale nadający się do scukrzania skrobi obcej. Na 100 kg skrobi zacieranej stosuje się od kg słodu (w/g PN). Na 1 kg słodu pobranego do sporządzenia mleczka słodowego dodaje się 2,5 3,0 dm 3 wody. W czasie fermentacji ze 100 kg słodu uzyskuje się dodatkowo dm 3 100% spirytusu (oprócz spirytusu powstałego z cukrów zawartych w surowcach niesłodowych). W procesie scukrzania przeciętnych zacierów gorzelniczych o gęstości ok Blg ze skrobi powstaje ok. 20% dekstryn i 80% cukrów redukujących, głównie maltozy oraz nieco glukozy. Pod wpływem enzymów słodu zachodzi również częściowa hydroliza związków białkowych oraz fosforanowych surowca. Procesy te dostarczają substancji potrzebnych do rozwoju drożdży. Do scukrzonego zacieru (zacieru słodkiego) dodaje się zawiesinę drożdży po wcześniejszym wychłodzeniu do temperatury fermentacji. W gorzelnictwie stosuje się specjalne rasy drożdży należące do gatunku Saccharomyces cerevisiae. Są to drożdże górnej fermentacji, silnie rozmnażające się, szybko fermentujące (glukozę, fruktozę, sacharozę, maltozę, niektóre rasy: mannozę, galaktozę, laktozę i rafinozę), dające stężenie alkoholu etylowego do 10 11%. Zacier słodki po zadaniu drożdżami poddaje się fermentacji. W skrócie proces fermentacji obejmuje glikolizę prowadzącą do powstania z cukrów kwasu pirogronowego CH 3 COCOOH, następnie jego nieoksydacyjną dekarboksylacje do aldehydu octowego oraz redukcję tego ostatniego do etanolu pod wpływem współdziałającej z NAD dehydrogenazy alkoholowej. COOH C OH COOH C O CH 3 CH O CH 3 CH 2 OH CH 2 CH 3 CO2 NADH 2 W czasie fermentacji wyróżniamy 3 okresy: zafermentowanie, fermentację główną (burzliwą) i dofermentowanie. NAD 2

3 W fazie zafermentowania następuje intensywne rozmnażanie drożdży, które ulega osłabieniu w miarę zmniejszania się zawartości tlenu i wzrostu stężenia alkoholu etylowego. Okres fermentacji głównej charakteryzuje zahamowanie rozmnażania drożdży i intensywna fermentacja (zmniejszenie gęstości zacieru o 1 O Blg na godzinę). Po zakończeniu fermentacji głównej poziom zacieru opada i rozpoczyna się najdłuższy okres dofermentowanie (gęstość zacieru spada do 3,5 5 O Blg). Ma on duże znaczenie dla wydajności alkoholu, ponieważ dopiero teraz następuje ostateczna hydroliza dekstryn pod wpływem enzymów i odfermentowanie powstałych cukrów redukujących. Proces fermentacji trwa zwykle 2 (temp O C) lub 3 (temp O C) doby, w tym zafermentowanie godzin, fermentacja główna godzin, dofermentowanie ok. 30 godzin. Powyżej zawartości 5% alkoholu w fermentującym zacierze następuje zahamowanie rozmnażania drożdży. Fermentacja ustaje przy stężeniu alkoholu ok. 10%. Wydajność teoretyczna etanolu 100 kg skrobi 56,82 kg = 71,54 dm kg maltozy, sacharozy 53,83 kg = 67,77 dm kg glukozy 51,14 kg = 64,39 dm kg owoców 3,5 kg = 6,0 dm 3 Wydajność praktyczna Z zacierów skrobiowych około 66,67 dm 3 bardzo dobra Drożdże dzikie w gorzelnictwie są bardzo szkodliwe ze względu na ograniczenie wydajności spirytusu do kilku procent (zużywają resztę cukrów na przyrost własnej biomasy). Znajdują one zastosowanie jako drożdże paszowe (po wysuszeniu) wykorzystują ubogie podłoża. Typowe drożdże dzikie w gorzelnictwie: Mycoderma Willa tworzą szary kożuch Pichia Torula Monilia Niekorzystnym zjawiskiem podczas fermentacji jest pienienie na które wpływają: rasa drożdży zła jakość ziemniaków (przemarznięte, zgniłe) buraki gęsty melas lub mieszanina melasu z ziemniakami (do zacieru w gorzelni rolniczej można stosować do 10% melasu) Do gaszenia piany stosuje się oleje roślinne, oleje porafinacyjne, kwasy tłuszczowe, słód owsiany (4% tłuszczu). Nie wolno natomiast stosować olejów mineralnych (nafty, oliwy itp.). 3

4 Produkty fermentacji alkoholowej: główne: alkohol etylowy, dwutlenek węgla, uboczne: estry, aldehydy (aldehyd octowy), przedgon metanol, wyższe alkohole (fuzle alkohol amylowy, propylowy, izobutylowy) pogon ok. 0,4% w surówce, kwasy organiczne (mlekowy, octowy, bursztynowy, malonowy, masłowy) glicerol (gliceryna), Głównym zadaniem odpędu jest możliwie całkowite oddestylowanie alkoholu etylowego z przefermentowanych zacierów oraz jego zagęszczenie do mocy co najmniej 90% obj. Odpęd połączony jest z częściowym tylko oczyszczeniem od lotnych zanieczyszczeń i dlatego otrzymany produkt nosi nazwę spirytusu surowego lub surówki. Znaczenie gospodarcze gorzelnictwa generalnie pomaga rolnictwu w racjonalnej gospodarce plonami, w zagospodarowaniu odpadów przemysłu spożywczego, jak również odpowiada za zwrot glebie mineralnych składników zawartych w surowcu. Etanol ma szerokie zastosowanie w przemyśle chemicznym, spożywczym, farmaceutycznym, farb i lakierów, kosmetycznym, materiałów wybuchowych itp. 4

5 Schemat technologiczny produkcji spirytusu Przygotowanie zacieru u Ziemniaczany Zbożowy Owocowy Próby 0,5-1kg rozdrobnić Parowanie - autoklaw 1,5 atn Schładzanie temp C Zacieranie Słodem α- i β amylaza Preparatami enzymatycznymi α- amylazy i glukoamylazy Schładzanie temperatura 25 0 C Fermentacja 3 doby Czysta kultura drożdży Wywar Destylacja (odpęd) Surówka gorzelnicza Oznaczanie zawartości EtOH Rektyfikacja Lutrynek Ocena jakościowa surówki gorzelniczej Rektyfikat 5

6 WYROBY SPIRYTUSOWE Spirytus jest to wodny roztwór alkoholu etylowego. Przemysłowa produkcja spirytusu obejmuje dwa etapy: najpierw w gorzelniach uzyskuje się spirytus surowy (tzw. surówkę), a w zależności od surowca może to być spirytus melasowy, ziemniaczany, zbożowy, owocowy, winny. Następnie spirytus podlega oczyszczeniu, czyli tzw. rektyfikacji (oparta jest na zasadzie wielokrotnej destylacji), przy czym uzyskuje się spirytus rektyfikowany (rektyfikat). Spirytusy surowe mają moc i zawierają większą lub mniejszą ilość ubocznych produktów fermentacji, a w szczególności fuzli, nadających surówce nieprzyjemny smak i zapach. Spirytus rektyfikowany ma różną moc w, zależności od stopnia oczyszczenia, a więc rektyfikat zwykły co najmniej 96 0, a rektyfikat wyborowy lub luksusowy co najmniej 96,5 0. Również stopień oczyszczenia rektyfikatów jest różny; w rektyfikacie zwykłym wyczuwa się jeszcze, chociaż w bardzo słabym stopniu, zapach ubocznych produktów fermentacji, rektyfikat wyborowy natomiast powinien się charakteryzować tylko swoistym zapachem i smakiem czystego alkoholu etylowego. Cechy Zawartość fuzli w przeliczeniu na alkohol amylowy, nie więcej niż a) g w 1dm 3 spirytusu 100% b) % (m/m) Zawartość alkoholu metylowego, nie więcej niż a) g na 100 cm 3 spirytusu 100% b) % (V/V) Czas odbarwiania roztworu nadmanganianu potasowego (Próba Langa), min., nie mniej niż Zawartość kwasów w przeliczeniu na kwas octowy, nie więcej niż a) g w 1dm 3 spirytusu 100% b) % (m/m) Zawartość estrów w przeliczeniu na octan etylu, nie więcej niż a) g w 1dm 3 spirytusu 100% b) % (m/m) Spirytus rektyfikowany Techniczny Zwykły Wyborowy Luksusowy a) 0,1 b) 0,013 a) 0,1 b) 0,13 Nie normalizuje się a) 0,02 b) 0,0025 a) 0,07 b) 0,009 a) 0,005 b) 0,0006 a) 0,1 b) 0,13 a) 0,002 b) 0,0002 a) 0,05 b) 0,06 a) 0,001 b) 0,0001 a) 0,03 b) 0, a) 0,02 b) 0,0025 a) 0,05 b) 0,006 a) 0,015 b) 0,0019 a) 0,03 b) 0,004 a) 0,015 b) 0,0019 a) 0,03 b) 0,004 6

7 Należy pamiętać, że spirytus jest środkiem silnie odwadniającym, a więc trującym dla organizmu; wypicie większej ilości czystego spirytusu jest zawsze szkodliwe, może nawet spowodować zapaść i śmierć człowieka. Klasyfikacja wyrobów spirytusowych: Podział wyrobów spirytusowych jest różny w różnych krajach w zależności od kryteriów podziału, tj. przyjętych pod uwagę wyróżników klasyfikacyjnych. Można więc ten podział przeprowadzić na przykład w zależności od: a) stopnia oczyszczenia spirytusu (spirytus surowy lub rektyfikat) b) jakości (zwykły, wyborowy) lub pochodzenia rektyfikatu (ziemniaczany, zbożowy i inne) c) mocy gotowego wyrobu d) zawartości ekstraktu lub cukru e) zawartości głównych składników zestawu (owocowe, ziołowe itp.) W Polsce wyroby spirytusowe dzieli się ze względu na zawartość podstawowych składników zestawu na: I. Wyroby czyste zawierające tylko spirytus rektyfikowany i wodę do picia dodatkowo uzdatnioną, II. Wyroby gatunkowe zawierające w zestawie poza tymi składnikami również substancje aromatyczne, a niekiedy cukier (syrop cukrowy) i barwniki (karmel). Wódka gatunkowa Moc [% obj.] Ekstrakt ogólny [g/dm 3 ] Wytrawna do 50 Półwytrawna Półsłodka Słodka Napój alkoholowy Charakterystyka Moc [% obj.] Ekstrakt ogólny [g/dm 3 ] Likier powyżej 330 Krem półpłynna konsystencja powyżej 400 Koktajl do 400 Aperitif zawiera ziołowe substancje gorzkie do 400 Wódka naturalna (okowita) wódka sporządzona ze spirytusu surowego uszlachetnionego owocowego (winiak, brandy, śliwowica, calvados), zbożowego (starka, whisky), rumu, z dodatkiem lub bez dodatku spirytusu rektyfikowanego, składników aromatyczno smakowych i wody. Do produkcji wyrobów gatunkowych stosuje się: Nalew (macerat) roztwór wodnoalkoholowy substancji zapachowo smakowych wyekstrahowanych z surowców roślinnych, Mors surowy sok owocowy (moszcz) utrwalony spirytusem rektyfikowanym, o zawartości 16 20% obj. alkoholu etylowego, 7

8 Spirytus surowy uszlachetniony spirytus surowy o zharmonizowanych pożądanych cechach organoleptycznych wytworzonych w wyniku starzenia (naturalne przemiany chemiczne podczas leżakowania w specjalnych drewnianych naczyniach) lub maderyzacji (przyspieszony proces dojrzewania wskutek obróbki cieplnej w specjalnych warunkach, Zaprawa do wódki recepturowa mieszanina substancji zapachowych i składników smakowych przeznaczona do sporządzenia zestawu wódki, Destylat bezbarwny roztwór o mocy 60 80% obj. zawierający lotne substancje roślin uzyskany przez destylację nalewu, nalewu z surowcem roślinnym lub morsu. Rodzaje spirytusu surowy (surówka gorzelnicza) a) ziemniaczany 88% b) zbożowy 88% c) melasowy 92,5% d) owocowy > 25% e) posiarczynowy 95% rektyfikowany a) techniczny 95% b) zwykły 96% c) wyborowy 96,5% d) luksusowy 96,5% (ma najwyższą czystość). Spirytusy surowe zawierają w swoim składzie pewne ilości zanieczyszczeń. Rodzaj tych zanieczyszczeń zależy w głównej mierze od surowca użytego do fermentacji i sposobu jej przeprowadzenia, natomiast ich ilość przede wszystkim od rodzaju aparatu odpędowego. Ogólna ilość zanieczyszczeń w spirytusach surowych wynosi średnio około 0,5% w stosunku do ilości etanolu. Stwierdzono m.in. obecność następujących związków: aldehydy (octowy, propionowy) alkohole (metylowy spożycie g metanolu może spowodować śmierć!) kwasy (octowy, propionowy) estry (mrówczan etylu i mrówczan metylu) ketony (aceton, diacetyl). Niektóre zanieczyszczenia występują w ilościach śladowych, mimo to ich obecność może wpływać na własności smakowo zapachowe. Spirytus rektyfikowany powinien być bezbarwny (jedynie spirytus zwykły może wykazywać lekki odcień żółtej barwy), klarowny, bez osadów, zawiesin i zanieczyszczeń obcymi ciałami, o zapachu i smaku czystego alkoholu etylowego. 8