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超声技术在酿酒工业中的应用

发布时间:2018-05-14 16:53   作者: admin

  随着发酵技术在酿酒业中应用的不断深入,传统的发酵工艺已越来越难以满足现代工程的需要。而将超声波作用于发酵液,可增加细胞膜的透性和选择性,促进酶的分泌,增强细胞的代谢过程,从而缩短发酵时间,改善生物反应条件,提高生产效率。同时,为了较好地控制生产,便需要对发酵过程参数特别是一些生化过程参数如基质浓度、发酵产物的浓度、发酵液的粘度等进行在线检测,但这一控制却因缺乏合适的测量传感器而很难实现。运用超声技术不仅可以对发酵过程参数进行实时监控,而且可进一步研究发酵过程的动力学机制及发酵液的流变特性。另外,超声还能促进酒的老熟,从而改变了人们古老的酿酒观,让酿酒业步入现代化发展。本文就超声技术在酿酒工业中的应用进行综述。

  1超声技术的物理原理

  按应用范围可将超声分为功率超声和检测超声[1]。功率超声作用机制分为热作用、机械传质作用和空化作用:(1)热作用是超声波在介质内传播过程中,其能量不断地被媒质吸收而使介质的升温的现象。在生物发酵工程中热作用可用于杀菌或使酶失活;(2)机械传质作用是超声在介质中传播时,可使媒质进入振动状态,加速发酵液的质量传递作用。超声可增强细胞膜及细胞望的质量传递,进而提高发酵过程的反应速度,促进生物传质作用;(3)空化作用是声波在介质中传播时,液体中分子的平均距离随着分子的振动而变化,当其超过保持液体作用的临界分子间距,即形成空化。超声空化分稳态空化和瞬态空化两种。瞬态空化绝热收缩至膨胀瞬间,泡内可产生高温高压,可破坏细胞结构或破碎细胞,使酶失活。稳态空化可使酶或细胞颗粒受到微声流产生的切应力作用,利用这些作用可改善发酵工艺。

  对于检测超声而言,微弱声波在液体介质中传播时,其传播特性受介质性质的影响:声速变化和液体介质浓度变化在一定范围内存在线性关系,因而只要测得液体声速便可得到液体浓度进而得到其他参数,这就实现了过程参数的在线非接触测量。

  2超声在发酵工程中的应用

  低强度超声依靠机械振动和稳态空化效应使传质边界层减薄,并且使溶质粒子运动加速,这对于反应物进入酶或细胞活性部位及产物进入液体介质的传质扩散作用有利.可提高生物反应速度;适宜的低强度超声波作用于动植物细胞时会产生胞内激流、胞内质的旋转及涡流运动,并且提高了细胞膜和细胞壁穿透性,这些效应可以提高细胞的新陈代谢功能。

  Matsuura等[2]研究了超声辐射对葡萄酒、啤酒和清酒发酵过程的影响,发现经超声照射后葡萄酒和清酒中氨基酸的含量比对照组明显减少,而产生了大量的高级醇,增加了酒香,并短了发酵时间;松浦一雄[3]研究了超声波对酵母细胞增殖的影响,他认为发酵液中的CO2对细胞生长有抑制作用,低强度长时间超声辐射可以减少发酵液中的CO2,溶解度,从而促进细胞的增殖。超声波加载也有可能破坏疏水作用力、氢键、离子键和二琉键,使由这些弱键维持的包含体溶解,便于下游的分离、提取和纯化。

  田三德等[4]通过利用现有超声波仪器对酿酒酵母进行诱变作用试验,初步探讨了超声波对酿酒酵母致突变的因果效应.试验结果表明,在相同的时间内,超声波频率越高对试验菌株的致死率越高;同一频率,超声波辐射时间增加也可使试验菌株的致死率增高,同时经过诱变处理后的菌株其生理生化特性也有变化.

  崔慧霄等[5]<、sup>研究超声波粉碎机破碎运动发酵单胞菌的菌体细胞,探讨了不同条件对运动发酵单胞菌破碎程度的影响。运动发酵单胞菌是一种十分有潜力的酒精生产菌,它的代谢途径很特别,虽属厌氧菌却采取好氧菌的ED代谢途径。在ED代谢途径中,葡萄糖-6-磷酸脱氢酶是一种关键性的调节酶,研究该酶在不同生长条件下的活力变化,对提高酒精产率具有重要意义。

  高大维[6]采用低强度超声波,选取作用时间及脉冲间隔为变化参数,研究超声波对酵母细胞生长的影响。结果表明,在各参数条件下超声波对细胞生长均有一定促进作用,可使调整期较短,细胞数和细由于重均高于对照样;较长的作用时间(45min)和合适的脉冲间隔(4s)效果较好。高大维等[7]还研究了4种波形的超声波对啤酒酵母细胞生长的影响:在细胞生长的调整期进行超声辐照时,各种处理都有不同程度的促进作用;在对数生长期进行处理时,对细胞生长有抑制作用,且前期处理最好的波形对后期的抑制作用也最明显,在平衡期进行处理时,对细胞生长没有明显影响。

  3超声在发酵在线测量中的应用

  当微弱超声信号在发酵介质中传播时,其能量不足以对发酵液中细胞或酶的生化性能产生影响,但发酵液的一些物理参数的变化会改变声波的传播特性如传播频率、声强、传播损耗等。由此可利用在发酵液中传播的声波的声学特性变化来监测基质浓度、发酵产物的浓度或发酵液的粘度等参数。

  菌体浓度一直以来都是发酵生产中一个重要的参数指标,黄佳等[8]设计了基于超声波传感器的测量系统,重点研究了碑酒生产中酵母细胞浓度与超声波传播时间以及温度之间的对应关系,并对测量中产生影响的各个因素分别加以讨论并提出解决方案,为超声波传感器在实际生产中的应用奠定了基础。

  王寅观[9]研制了在线式超声波麦芽汁浓度计。该仪器将超声波探头直接安装在麦芽汁生产管道的外侧,超声波透过管壁传人管内,进而了解声波在麦芽汁中传播的信息。微处理器通过对超声波信号的实时处理,每两秒即可显示一次麦芽汁浓度,该浓度计具有非侵入性、实时快速、稳定可靠等优点,适合麦芽汁生产过程中对麦芽汁浓度的在线检测。

  杨海脐[10]等研制的超声波传感器具有结构简单、精度高、抗热、耐酸、易于维护、成本低的特点,可用于酒精蒸馏生产过程中乙醇浓度的在线检测。Endo等[11]研究了利用超声技术来实时捡测发酵液的粘度。Forrest等[12]用在线测量法研究了啤酒发酵过程中声速与发酵产热、酒糟浓度及底物密度等之间的关系。

  4超声在加速酒老熟中的应用

  将配制的新酒放置在特制的容器中自然放置一段时间,以达到酒体柔和、酒香纯正的目的,这一过程即为酒的老熟。这种自然老熟,是白酒生产的传统方法,但此方法占用了大量的库房,积压了大量的资金,已不适应高速发展的国民经济的要求。为此,近代制酒行业便采用了现代化的科学方法,加速白酒的老熟过程,其中超声催陈效果显著。

  中岛等用超声波对清酒、配制酒、生葡萄酒、威士忌等进行了老熟试验。结果显示,清酒和生葡萄酒经超声波照射后,效果不明显,而威士忌等蒸馏酒和配制酒经过20min的照射就能达到老熟的效果。松浦一雄等[3]认为利用强度较弱的超声波分几次照射,其老熟效果更好,若照射时间过长,经品评后认为其口感反而不如自然老熟的好。

  黑龙江北大仓酒厂的陈国珍等[13]采用高频超声波法做白酒老熟试验,每批处理的最佳时间的酒,所含的低碳酵类偏低、对优质酒高碳酵类偏高。通过大量试验结果表明,超声作用可以缩短酒类老熟工艺时间,提高白酒生产香味成份质量,提高生产效率。

  山西杏花村汾酒集团的翟旭龙等[14]用超声处理了新原产汾酒。相比于传统汾酒制作工艺制品,参数合适的超声处理的酒的理化特性不仅能与传统工艺的出品相媲美,还能大大缩短老熟时间。董华强等[15]采用超声波对杨桃强化酒进行不同处理以促进陈化,杨桃强化酒的品质得到不同程度提高。

  5结论

  超声技术在酿酒工业中的成功应用改变了人们的传统观念,极大地推进了酿酒工业的发展。但多年来的研究多数只是现象的描述,几乎没有理论的深入,这是对未来超声工作者及食品工作人员的挑战。另外,超声工艺的发展还有待于在工业中的大规模应用。

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