第二章麦汁制备(麦汁制备过程麦汁质量及能耗控制)...ppt

啤酒 酿酒师 职业资格培训教材 二级 酿酒师 第二章 麦汁制备 第二节 麦汁制备过程麦汁质量及能耗控制 上接 麦汁制备过程中的计算 一 学习目标能调整麦汁煮沸工艺 优化麦汁质量指标 了解麦汁制备过程中各工序的能耗状况 熟悉麦汁制备过程的节能降耗技术 并能灵活运用 二 相差知识及生产技术管理方法1 麦汁煮沸工艺与麦汁质量的相关性1 麦汁煮沸中水分的蒸发 1 前后浸出物不变 可得下式 V1 B1 d1 V2 B2 d2由于d1和d2麦汁相对密度差较小可得到V1 B1 V2 B2V1 B1V2 1 B2 2 由蒸发强度公式V1 V2 100V1tV1 V2t 100 2 V1 由 1 代入 2 式 B11 B2t 100 3 由 3 可知 当 一定 需要煮沸的时间 仅仅决定于煮沸前后的浓度差 由此可计算煮沸时间 或改写 3 式 tB1 1 B2 4 100若工艺规定煮沸时间一定 锅蒸发强度一定 热麦汁浓度 B2 一定时 麦汁洗糟就受麦汁浓度 B1 制约 说明 上述各式中B为麦汁浓度 V为麦汁体积 为蒸发强度 t为煮沸时间 2 麦汁煮沸中蛋白质的变性絮凝过滤后混合麦汁中的含氮物质 主要是 氨基酸 低肽 多肽 高肽及少量的水溶性清蛋白和盐溶性球蛋白 核柑酸 核苷等 其中高肽 清蛋白和球蛋白虽为水溶性 有一定的溶解度 但由于PH降低 受热 振荡和多酚结合 氧化等原因将会从啤酒中分离出来 影响啤酒的非生物稳定性 天然清蛋白 球蛋白等到多肽长链绕卷 外部充满了亲水性基团 OH COOH NH2 这些极性基团易水化 因此 清 球蛋白呈水溶性 当这些蛋白溶液被加热至50 以上时 首先蛋白质的空间立体结构被破坏 进一步绕卷多肽链之间的氢键将被打开 蛋白质变成长线型 虽然此时氨基酸顺序和相对分子质量均没有变化 但丧失了生物物质活性 由于肽链疏水 C C 暴露 蛋白质水溶性丧失 此现象称 蛋白质的变性 变性的线状蛋白质 如果进一步丧失表面电荷 并受到激烈的搅拌 线状蛋白就变成絮状 称 絮絮 随着强烈加热和搅拌 絮状蛋白进一步脱水 形成蛋白颗粒 煮沸中蛋白质变性和絮絮条件为 1 温度和加热时间麦汁被加热的温度愈高 变性愈充分 因此 近代较多采用高压或低压煮沸 120 或106 106 在常压下煮沸时间延长 能促进蛋白质变性和絮凝 但如果超过2h 已经絮絮的蛋白质又会重新被打碎而分散 使麦汁混浊 麦汁煮沸时间对煮沸效果的影响见 表2 2 1 2 PH麦汁煮沸时间的PH取决于煮沸前混合麦汁的PH 在煮沸中由于热凝固物蛋白质沉淀 磷酸盐形成等都会使PH上升 而由于酒花的溶解 温度升高使氢离子解离增加 PH又会降低 综合PH变化在 0 2 0 4之间 只有在等电点下 蛋白质表面电荷为零时絮凝效果最好 清蛋白等电点PH为5 5 5 75 球蛋白 相对分子质量26000 PH愈接近5 2 煮沸后变性蛋白质絮凝效果愈好 表2 2 2 表2 2 1麦汁煮沸时间和效果表2 2 2麦汁煮沸PH及效果 混合麦汁10 8 P 蒸发强度8 如果每百升麦汁要降低PH0 1 可在麦汁中加37 HCl4 5ml左右 或用磷酸调节PH 数据仅供参考 不同的麦汁组成 其绶冲力差异较大 为调节PH所加酸度调节剂的量亦有较大差别 3 沸腾状态变性后的不溶性线型蛋白质絮凝 结块要依赖于碰撞 煮沸中形成的气泡迅速破碎也促进絮凝 气液界面 膜是蛋白质的浓缩物 膜的低表面张力 促进了溶解蛋白凝聚 表2 2 3 表2 2 3外加热煮沸锅煮沸效果 煮沸麦汁的沸腾状态取决于传热量Q和锅的流型 近代外加热器的煮沸锅 循环次数达9次 沸腾碰撞次数增加 促进了絮凝作用 4 Ca2 Mg2 等的促进作用麦汁中单宁类化合物和蛋白质大多是以氢键结合 所以是可逆的 在麦汁冷却后形成 冷凝固物 而麦汁中聚多酚和蛋白质是以共价键结合 在热麦汁中就能形成不溶性沉淀 在麦汁煮沸中 如酒花添加量太少 采用无多酚酒花浸膏 或由于麦汁含热凝固蛋白太多 为了促进蛋白质絮凝可以外加酿造用单宁以改善絮凝效果 钙 镁等两价金属离子 能促进带负电荷的蛋白质颗粒形成盐桥 絮凝r也能降低蛋白质的表面电荷 促进沉淀 一般要求麦汁含Ca2 浓度 35mg L 3 酒花主要组分的萃取和变化 1 酒花中的多酚物质酒花一般含多酚物质3 5 它们易溶于水 在热麦汁中溶解十分迅速 麦汁中多酚物质来自于麦芽约0 3 0 5g L 来自酒花约0 03 0 07g L 多酚物质中的缩合丹宁 又称鞣酐 和丹宁 很容易和煮沸麦汁中清蛋白 球蛋白及高肽结合 形成丹宁一蛋白质复合物 而它在热或冷麦汁中均不溶解 即形成絮状热凝固物沉淀 非丹宁化合物 包括酚酸 黄酮类化合物 儿茶酸类化合物及花色素原等 和蛋白质结合力较弱 而且形成的复合物在热麦汁中为可溶性 只有在麦汁冷却至35 才被析出 工艺中称 冷凝固物 这些相对分子质量低的多酚类物质 将较多地残留于麦汁中 它和冷凝固物一起是造成啤酒非生物混浊的主要物质 酒花中的多酚物质和麦芽中的相比有较多的丹宁和缩合丹宁 因此 和蛋白质的结合力大 如果麦汁煮沸一开始就加入酒花会减少麦芽中多酚物质和蛋白质的结合 麦汁中存在过多的HCO3 会促进多酚类物质中单酚的聚合 氧化形成红衬褐色物质 使麦汁色泽加深 麦汁有氧煮沸时 生成色泽物质更多 麦汁PH值低 如5 2 5 3 可减少氧化聚合 使麦汁色泽浅而且带绿色 2 酒花精油精油是啤酒重要的香气物质 和啤酒的开瓶闻香关系极大 酒花在麦汁煮沸时 绝大多数 85 95 酒花精油随水蒸气而被挥发 煮沸时间愈长 挥发愈多 而且最易挥发的是精油中的香叶烯 香叶烯的香气粗俗 俗称 生酒花香 残留在麦汁中的精油主要是葎草烯 石竹烯及香叶醇 它们将使啤酒带有典雅的香气 我国啤酒厂目前使用的大多是苦型花 含精油仅为0 1 0 75 而香型花含精油一般达到1 5 2 5 酒花中精油在煮沸时如果接触过多氧 很容易氧化成脂肪臭 3 酒花的苦味物质酒花的苦味物质在麦汁煮沸中变化十分复杂 随麦汁组分及煮沸条件的不同有很大差别 一部分苦味物质溶解而进入麦汁 并在煮沸中不断变化 溶解进入麦汁的苦味物质 随麦汁的PH不同 溶解度也不同 表2 2 4 约占酒花苦味物质总量的25 35 溶解进入麦汁 表2 2 4酒花主要组分的溶解度 PH5 0 虽然麦汁PH越高 苦味物质溶解愈多 但此时以苦味酸盐形式溶解 结果造成苦味粗糙而不愉快 进入麦汁的苦味物质 在加热的情况下还会发生变化 如 酸 异 酸 衍生 异 酸 软树脂 酸 软树脂 由 酸形成的异 酸 是啤酒真正苦味来源的主部分 研究表明 酸异构化程度是温度的一次函数 表2 2 5 通常情况下 有15 25 的 酸形成衍生 异 酸和 软树脂 它们和异 酸相比 溶解度较小 苦味值低 防腐力也较低 酸在煮沸中形成无定形的 软树脂 增加了溶解度 并且使它的苦味变得更加细腻柔和 若过度的煮沸和氧化将使 软树脂 软树脂转化成 硬树脂 会给啤酒带来不愉快的后苦味 表2 2 5100 下煮沸时间与异构率的关系 变性絮凝蛋白质吸附 在热凝固物分离后将被除去 被吸附的减少量取决于煮沸前麦汁含热凝固蛋白质量 高浓度麦汁 浸出法糖化等由于含热凝固蛋白质多 吸附苦味物质也多 这部分约占酒花苦味物质的40 60 从酒花中未萃取出来 残留在酒花糟中 此量随酒花添加的方法和时间不同而有很大差别 采用酒花粉比用球果残留少得多 加入煮沸的时间短 残留就多 其波动在10 30 酒花苦味物质总量之间 表2 2 6 由表 2 2 6 中可知 传统酿造法保留在最终成品啤酒的苦味物质仅占15 25 现代酿造法可占40 45 而且主要是异 酸 占65 但啤酒的口感苦味要大得多 约占原来酒花的50 左右 表2 2 6酒花苦味物质在酿造中的变化 传统酿造 4 麦汁煮沸中的其他变化 1 还原物质的生成麦汁中还原物质来自于麦芽 酒花和在煮沸中生成 它主要包括如下两类物质 还原糖及其生成物 如还原酮 类黑精等为第一类 它们很容易被氧化 第二类 来自于麦芽 酒花的多酚 酒花苦味物质 少数带羰基的蛋白质等 它们的氧化作用较缓慢 当啤酒受到氧化时 由于第一类物质易氧化 它们首先被氧化 同时保护了第二类还原物质 第二类还原物质被氧化 将会使啤酒产生老化味 不愉快苦味 也会引起啤冷雾浊和氧化混浊 麦汁煮沸中生成的还原物质严黑精 由于浅色啤酒的色泽关系 其含量不能太多 还原酮随着煮沸时间的延长而增加 但若煮沸在有空气条件下 敞开式 大量还原物质将受氧化而损失 2 麦汁色泽的增加煮沸中麦汁色泽迅速增加 正常情况下色泽增加0 5 1 0倍 表2 2 7 原因是 麦汁浓缩 焦糖和类黑精的形成 特别在煮沸锅结构差 麦汁对流不好 在加热面形成局部过热时产生大量焦糖 酒花多酚的溶解和多酚被氧化成醌和多聚酚 色泽增加和麦汁PH 酒花氧化程度 麦汁煮沸是否有氧存在等因素有关 表2 2 7麦汁煮沸PH6和色泽加深 增加EBC单位 3 其他物质的变化来自麦芽和辅料中的易挥发物 由蛋白质分解形成二甲基硫等硫化物 由糖褐变形成糠醛 甲基糠醛 丙醛 异丁醛等气味物质 在煮沸中随二次蒸汽蒸发 改善了麦汁的气味 2 麦汁制备过程中的节能降耗技术就目前整个啤酒行业的生产情况来看 麦汁制备工序是主要耗能工序 尤其是热能 节能降耗主要有以下方法和措施 1 麦汁煮沸节能工艺麦汁煮沸是啤酒生产的关键工序之一 采用蒸汽对麦汁进行加热 经煮沸制成定型麦汁 麦汁煮沸热能消耗占糖化车间热能消耗的50 以上 约占全厂热能消耗的30 以上 表2 2 8 为某啤酒厂 糖化车间热量分布情况 表2 2 8传统工艺糖化车间耗热量分布 KJ KL啤酒 由 表2 2 8 中麦汁煮沸采用传统工艺 麦汁煮沸10min 总蒸发量14 显然热能耗大 过去 国内啤酒厂采用常压煮沸体系 煮沸时间长 蒸发强度大 蒸发量大 热能利用效率差 近年来 国内不少啤酒厂在麦汁煮沸工艺中采用加热器 低压煮沸等新技术 麦汁对流强烈 煮沸时间可以相应缩短 取得了很好的效果 在不进行更换煮沸设备的前提下 国内主要采用的新型麦汁煮沸节能工艺如下 采用低压煮沸工艺可以将蒸发时间从90 100min 缩短到60 70min 能耗降低30 采用脉冲式低压煮沸 动态煮沸 工艺 加压101 105 煮沸 大分子蛋白质变性更加充分 总蒸发时间从90min减少到45 50min 总蒸发量从10 12 减少到4 2 4 5 麦汁蒸发耗能降低50 以上 国外对新型麦汁煮沸设备进行了研究 开发了一些新型节能麦汁煮沸系统 Merlin煮沸系统使用Merlin煮沸系统节能效果相当明显 较普通煮沸系统可以节能70 以上 Merlin煮沸系统主要是在加热带上进行蒸发 由于极薄的麦汁层和巨大的加热表面 对啤酒质量有影响的物质会最大限度地与乏汽一起排出 而且该系统的总蒸发量比传统的内煮沸总蒸发量7 8 要小得多 仅为4 峭仅会使促进啤酒泡持性的含氮物质得以保留 还防止了蛋白质的过度凝聚 而且节约了大量的能源 Merlin煮沸系统节能措施见 图2 2 1 Stromboli麦汁煮沸系统传统的内加热器由于出现温度梯度 麦汁加热不均匀 通常要求总蒸发量达到9 5 以上 才能有效地排除二甲基硫 与此同时 对泡持有利的蛋白质也被排除了 德国斯坦尼克公司的Stromboli麦汁煮沸系统 设备结构见图2 2 2 通过麦汁调节器的双分配伞来调节麦汁喷洒速度 这种喷 洒方式能够形成很大的表面积 所以总蒸发量只需要3 4 煮沸时间只需要30min 就足以能够达到排出二甲基硫等不良气味物质的目的 因此可以节约大量的能源 2 二次蒸汽的回收煮沸过程蒸发水分形成大量二次蒸汽 对二次蒸汽的热量回收是啤酒厂节能降耗的一条重要途径 采用二次蒸汽回收系统 年产10万KL的啤酒厂一年可节煤近700吨 二年即可收回设备投资 因而对于竞争激烈的啤酒行业来说 麦汁煮沸二次蒸汽回收这一节能降耗的新技术具有很好的推广应用价值 采用二次蒸汽冷凝器回收热能利用二次蒸汽 乏汽 冷凝器回收热能是投资少 简单易行且应用十分普遍的技术 二次蒸汽冷凝器一般安装在煮沸锅的排气筒中 煮沸时产生的二次蒸汽通过冷凝器时 与水进行换热 使水温升高 在进行换热的同时 二次蒸汽自身得以冷凝 也变成热水 获得的这部分热水可在糖化时加以充分利用 既可作为下料水 可以作为洗糟水直接利用 也可以用于CIP清洗等场合 从而节约了大量的一次蒸汽 利用二次蒸汽冷凝器回收热能 并利用贮热系统 图2 2 3 将余热长时间贮存起来 加以重新利用 二次蒸汽回收流程 煮沸过程产生二次蒸汽的热量用水置换回收并贮存于贮存罐中 将贮存罐水温由78 升温至97 再将贮存罐中的热水用饱和蒸97 汽加热至100 以上 用此热水去预热麦汁至97 以上 进入煮沸锅能迅速达到沸腾状态 二次蒸汽压缩系统采用二次蒸汽压缩系统将二次蒸汽压缩成0 02 0 05Mpa的过压蒸汽 使二次蒸汽温度升高 重新用来加热麦汁 二次蒸汽压缩系统可以安装在现有的麦汁煮沸设备系统中 对于大多数啤酒厂的内煮沸系统而言 被压缩后的二次蒸汽可直接引入内加热器中 重新用于麦汁加热 可节约大量的一次蒸汽 又缩短了麦汁在锅内的升温时间 缩短了煮沸锅的周转时间 并且不会出现多余的热水排放 不会造成环境污染 需要指出的是 此系统需要一个启动能源 即喷射泵喷头所产生的1Mpa的高压一次蒸汽 借助于此蒸汽将二次蒸汽从麦汁煮沸锅中抽出来 产生的混合蒸汽用来加热 另外 二次蒸汽压缩系统需要背0 003Mpa的低压 以避免空气吸入 降低压缩效果 3 蒸汽冷凝水回收蒸汽作为啤酒生产过程中的必须能源 有50 以上的蒸汽热能消耗在麦汁制备过程 因此 麦汁制备过程中热能节约和回收利用对啤酒行业经济效益影响甚重 麦汁制备过程中 糊化锅 糖化锅 煮沸锅加热器的蒸汽释放出汽化潜热后 变成同温同压下的饱和冷凝水 一般来说 饱和冷凝水平均具有蒸汽热能的20 左右 如不回收 不但损失热能 还将增加化学水处理费用 增加锅炉排污量及由此增加的热损失 但长期以来 很多企业的冷凝水回收率很低 造成热能和水资源的巨大浪费 采用蒸汽冷凝水密闭带压回收系统不仅可以回收大量热能 而且可以回收大部分冷凝水 大大降低了锅炉新鲜用水量 也降低了锅炉用水处理系统的压力和成本 在上世纪80年代后期 密闭式冷凝水回收技术在国内逐步发展起来 目前已普遍推广应用 关键技术在于疏水阀的选用和回收系统的密闭增压 以避免普通离必泵在输送高于80 热水时气蚀现象的发生 提高高温凝结水的热回收率 节能效果相当显著 根据各厂原有用热基础不同 一般节能率在25 左右 余热回收率可达90 糊化锅夹套蒸汽冷凝水 糖化锅加热带蒸汽冷凝水 煮沸锅加热器蒸汽冷凝水 分别经疏水器进入热水收集罐 利用余压送往锅炉热水贮罐 煮沸锅二次蒸汽经列管热交换器与一次软化水进行热交换 得80 以上热水送锅炉热水贮罐 发酵管道灭菌水经活性炭吸附过滤后 送锅炉热水贮罐 温度80 以上的热水 经离心给水泵送锅炉利用 密闭式凝结水回收系统的基本模式如 图2 2 4 所示 蒸汽凝结水经疏水阀疏放 利用疏水阀余压 背压 将凝结水输送 汇集至集水罐 集水罐的压力由压力调节阀控制 超压的少量蒸汽引入软化水箱消化吸收 罐中的凝结水由高温凝结水回收装置直接输送至锅炉或除氧器 由此可见 从工艺上来说 密闭式凝结水回收系统总体上由回收管网和回收泵站两部分组成 管网部分主要包含蒸汽疏水阀和回收管道 泵站部分主要包含集