Материали за ултразвукова обработка на алкохолни напитки и стерилизация на водни разтвори
Изтегляне 219.64 Kb.
|
- Навигация на страницата:
- ПРЕДИСТОРИЯ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТО
- ПРИМЕР 1
- ПРИМЕР 2
- ПРИМЕР 3
|
Материали за ултразвукова обработка на алкохолни напитки и стерилизация на водни разтвори Производството на високоалкохолни напитки включва три последователни процеса – ферментация, дестилация и отлежаване. Комбинацията от ферментация, дестилация и отлежаване в традиционно отлежалите напитки води до синтез и комбиниране на стотици химични съединения в крайния продукт. Въпреки, че те може да присъстват само в милионни части, чувствителните човешки обоняние и вкус могат да засекат много от тези съединения. Общо тези съединения се наричат конгенери и включват алдехиди, естери, първични алкохоли и др. В по-голямата си част конгенерите са необходими и желани за различаването на една марка от друга, но част от тях са нежелателни, но и неизбежни продукти на производствения процес. Сред най-нежеланите конгенери са различни вещества - страничен продукт на алкохолната ферментация и съпътстващите я процеси на вторичен синтез и окисление. Условно те се разделят на две групи в зависимост от температурата на кипене. Към първата група се отнасят вещества с температура на кипене по-ниска от 78,4 0С ( точката на кипене на чистия етилов алкохол ) – тук влизат метилов алкохол, метилов етер, ацетилов етер и ацеталдехид. Към втората група се отнасят вещества с температура на кипене над 78,40С. Сместа от тях е известна като фузелово масло ( на руски се наричат сивушные масла) и съдържа пропилов, изобутилов, амилов, изоамилов и изобутилов алкохоли, фурфурол и множество други малко известни, но особено неприятни съединения. От изброените съединения най - коварен е изоамиловия алкохол (С5Н4ОН), достигащ до 60% от обема на фузеловото масло (сивушные масла). При попадане на чист изоамилов алкохол върху кожата (химиците добре знаят това), се усеща парене, кожата почервенява, образува се мехури запълнени със светла течност. След спукването на мехурите върху кожата остават бавно зарастващи язви. При вътрешно поемане на изоамилов алкохол, човек не усеща веднага отвратителното му действие. Отсъства и стадия на опияняването. Но след 10-20 минути „експериментатора” изпада в кома (крайна степен на потиснато съзнание при което липсва дори и рефлекс на зеницата. Кожата на лицето и горната част на тялото добиват жълтеникаво – синкав оттенък. Това състояние продължава няколко часа, след което най-вероятно човека попада в моргата на съдебна медицина. Разбира се тук описахме един краен случай. На практика, съдържанието в „долнокачествените” алкохолни напитки промишлено и домашно производство на изоамилов алкохол и другите гадни компоненти на фузеловото масло (сивушные масла) е многократно по-ниско от леталната доза. Това може да не убие човек, но прави напитките отвратителни, както на мирис така и на вкус. Употребяващия трябва да е заклет алкохолик за да посегне на подобно питие. Трябва да отбележим, че фузеловото масло се съдържа дори и в добрите промишлено произведени алкохолни напитки. Макар и в малки количества при редовна употреба то натрупват разрушителното си действие върху организма. Обикновено, неутралните спиртни напитки имат по-малко конгенери от по-тъмните спиртни напитки, а според изследвания, напитки, които са съставени от по-чист етанол, като например джин или водка, причиняват по-малко ефекти на махмурлук, отколкото напитки с голям брой конгенери, като например бърбън или бренди. Чрез процеса на ултразвукова обработка, спиртните напитки могат да се освободят от определени конгенери. По-конкретно, спиртните напитки, след обработката имат намалени нива на нежелани висши алкохолни конгенери, като например амилов, изоамилов, изобутилов и пропилов алкохоли в крайния продукт за разлика от бавно отлежавали подобни продукти. Счита се, че тези изменения се дължат на ефективното протичане на много химични реакции, част от които не протичат при традиционното отлежаване. Така например под действие на ултразвука протичат деструктивни процеси свързани с разкъсване на дългите неустойчиви молекули на висшите алкохоли и фурфорола, протича процес на естерификация на база естествени съставки на дестилата – алкохоли и органични киселини. Получените естери са безвредни вещества с приятен аромат. В следващата таблица са приведени данни от анализа на два дестилата преди и след обработка с ултразвук.
Данните са получени при 5-минутна обработка на 250 ml дестилат. Забележки:
Освен това под действие на ултразвука протича процес на фракционна дестилация в течна фаза при който от сместа се извеждат частично компонентите с ниска температура на кипене - метилов алкохол, метилов етер, ацетилов етер и ацеталдехид. Както беше споменато, смята се, че съществуват стотици различни съединения, които влияят на характеристиките на отлежалите спиртни напитки, но се счита, че има пет ароматни алдехида, осем фенола, шест въглехидрата и половин дузина окисляващи продукти или второстепенни екстракционни елементи, които създават основните компоненти на аромата на спиртните напитки, отлежали в бъчва. (SINGLETON, V. L. “Отлежаване на вина и спиртни напитки: сравнения, факти и хипотези”, Am. J. Enol. Vitic. 25(1):98-115, 1995.) По време на традиционните процеси на отлежаване в дъбови бъчви, много от компонентите на напитката, които се извличат от дървените контейнери, претърпяват реакции на окисление / етоксилация, като по време на процеса на отлежаване увеличаващата се пропорция от екстрактите се превръща в естери с по-гладък вкус, като например ванилин или други продукти на киселинни реакции като елагична киселина, галиева киселина и сирингалдехид например. По този начин, с времето спиртните напитки могат да имат все по-високи нива на екстракти като например феноли. Други екстракти, като тези, които подлежат на реакции на окисление / етоксилация, могат да имат нива, които след време достигат своя максимум и след това започват да намаляват, тъй като екстрактите се преобразуват. Освен това, нивото на продуктите на реакцията в алкохола се увеличава пропорционално на намаляването на нивата на реагиращите екстракти. Общият резултат от процеса на отлежаване следователно има тенденцията да намалява нивото на киселинност pH на напитката поради увеличеното количество киселинни екстракти и увеличеното количество на продукти от реакциите на окисление/етоксилация в напитката. Следва информация за типичните нива (в mg/L) на елагитанинови екстракти и сродни продукти от реакции на окисление/етоксилация във времето за алкохолни коняци, отлежали в дъб:
Въпреки, че тези стойности са специфични за коняците, те са типични и за всички напитки, отлежавали в дъб. Чрез процеса на ултразвукова обработка с добавки на дървесни чипсове могат да се произвеждат спиртни напитки с нива на продукти от реакции на окисление/етоксилация, като например галиева киселина, ванилова киселина и ванилин еквивалентни на количествата от тези съединения, които се откриват в търговски продукти, отлежали приблизително 12 години в дъб. Счита се, че това се дължи на ускореното протичане на процеса на екстрахиране на компоненти от дървесните видове и реакциите на деструкция на вредни и синтез на полезни конгенери. Свободните радикали са положително заредени органични йони, които се срещат във всички спиртни напитки и най-вероятно се дължат на полярните фракции от по-високите алкохоли и нестабилни естери (по-малко вероятно на азотни фрагменти и органометални елементи). Свободните радикали са важна мярка за “завършеността” на отлежаването след дестилация. По принцип, по-малко свободни радикали означава по-завършен продукт. Количеството на всички радикали, открити в дестилатите, обработени с ултразвук по принцип е до 70% по-малко от това в подобни отлежали търговски продукти, което предполага, че ултразвуковата обработка води до по-пълно и строго контролирано отлежаване отколкото отлежаването в бъчви с години. При разпространението на ултразвука в течна среда възникват последователни зони на понижено и повишено налягане. В зоните на понижено налягане разтворените в течността газове се отделят и формират огромен брой микроскопични мехурчета. При повишаване на налягането, мехурчетата се свиват, но не изчезват напълно. Скоростта с която се движат стените на свиващият се кавитационен мехур надхвърля многократно скоростта на разпространение на звука в течността (хиперзвукова скорост). Това е причина налягането на газовете и парите затворени в обема на мехурчетата да се повиши над 10 000 атмосфери, а температурата да надхвърли 10 000 0С. Пулсациите в налягането се предават на всеки обект потопен в течността. В резултат на това се унищожават микроорганизмите намиращи се както в течността, така и по повърхността на потопените в нея тела. Показател за степента на редукцията на бактерии в обработена с ултразвук вода са резултатите от теста проведен в микробиологичната лаборатория на фирма „ЛАБОРЕКС” –ЕАД, копие от който е представен по-долу.
Приведените данни показват, че чрез ултразвуково третиране може да се постигнат високи степенни на стерилизация на вода, водни разтвори, плодови сокове (в това число на вина) и твърди тела потопени във водата. Извадки от патенти отнасящи се до методи за ускорено стареене на алкохолни напитки под действието на ултразвук
3. Според доклада на Т. Хасеба и др., "Diminution of Biological Reactivity of Ethanol by Changing the Solution Structure by Weak Ultrasonication", Clinical Experimental Review, Vol. 17, No. 5, 1993, pp 963-967 (“Намаляване на биологическата реактивност на етанола чрез промяна на структурата на разтвора чрез ултразвуково третиране” Клиничен експериментален преглед, том 15, бр. 5, 1993, стр. 963-967), на който изобретателя е съавтор, съществува значителна корелация между различни биологични реакции и молекулната структура на разтвора на етанол и вода, а спиртните напитки, подложени на ултразвукова обработка с горепосочения апарат за ускоряване на отлежаването имат не само по-добър вкус и аромат, но и по-благоприятно въздействие върху човешкия организъм в сравнение със спиртни напитки, които не са били обработени по такъв начин. От такава гледна точка, дори в пивоварството възникна търсене за уред, който ускорява отлежаването на спиртните напитки или подобни на тях течности чрез облъчване с ултразвукова вълна в промишлен мащаб. 4. След третиране на японско саке с ултразвук с ниска мощност съгласно настоящото изобретение, бяха проведени опити, свързани с човешкия метаболизъм, резултатите от които ще бъдат обяснени по-долу. В тази връзка, експерименталният метод е следният: Японското саке (16%), произведено от Kabushiki Kaisha Hokusetsu Shuzo (Sado-gun, префектура Niigata, Япония) беше разделено на две групи, едната от които беше заредена в контейнер за отлежаване с капацитет 5 m3 и бе подложена на ултразвукова обработка в продължение на две седмици, при честота 40 kHz. В самото начало здрави пълнолетни доброволци (четирима мъже и четири жени) изпиха по 0.5 g/kg необработено японско саке като им бяха направени кръвни проби след изминаване на 30 минути, 60 минути, 90 минути, 150 минути и 210 минути, за да се подготвят серумни проби, които в последствия бяха подложени на Nuclear magnetic resonance NMR (ядрено-магнитен резонанс) анализ. Освен това, след изтичане на един месец, на същите индивиди беше дадено японско саке, третирано с ултразвук и бяха извършени същите процедури. NMR измерването беше проведено с JEOL EX400 (400 Hz, 9.3T) FT NMR, като се използва 1 mmol/l от диметилсулфоксид (dimethylsulfoxide) (DMSO) като вътрешен референтен материал, за да се определи концентрацията (mmol/l) на етанола, млечната киселина, аминопропионовата киселина и оцетната киселина. На фиг. 6 е показано средното изменение на концентрацията във времето на оцетна и млечна киселина в кръвните проби след употреба на необработено и обработено саке.
Фиг.6
Пояснение към графиката защото малко трудно се четат йероглифите:
 - оцетна киселина в кръвта след употреба на обработен алкохол ;
 - млечна киселина в кръвта след употреба на обработен алкохол.
Освен това, концентрацията на етанола в издишания въздух беше измерена чрез ALCOTEST на Invitek Company, Германия, резултатът от който е показан на фигура 7. 
Фиг.7
Пояснение към графиката – съдържание на алкохол в издишвания въздух [mg/l], при:
 - обработен алкохол
Както може да се прецени от фигури 6 и 7, при експеримента с японско саке, третирано с ултразвук съгласно настоящото изобретение в сравнение с контролната проба, метаболизмът на етанол беше по-бърз приблизително с 27% средно за мъжете, приблизително с 21% средно за жените и приблизително с 22% средно за всички доброволци. Беше наблюдавана и проба, при която метаболизмът беше по-висок с приблизително 30% на индивидуална основа. При концентрацията на алкохол в издишвания въздух се наблюдаваше подобна тенденция, както при серумните проби. Тъй като не се наблюдава разлика между кривата на метаболизма при различни видове японско саке, може да се заключи, че по-бързият метаболизъм на японското саке, подложено на ултразвукова обработка, не се дължи на разлика във фракционния състав на отделните алкохолни проби, а на по-динамичната структура вода-етанол в обработеното японското саке. Предполага се, че при употреба на японско саке, подложено на ултразвукова обработка се облекчава метаболизма на етанол в следствие на по-ниските нива на синтезираните млечна и оцетна киселини. Що се отнася до течността, която ще се подлага на ускорено отлежаване съгласно настоящото изобретение, освен типичния пример с спиртните напитки, по принцип могат да се третират течни храни и напитки, като например сокове, подправки, сосове и др., както и други течности, за които промяната на молекулната структура е желателна, като например билкови екстракти, козметика на билкова основа и други подобни. Тип на документа и номер: US патент 7063867 Автори: Tyler III, Orville Z. (21 Prescient St., Mount Pleasant, SC, US)
Наименование: Процес за подобрено ароматизиране на напитки и продукти, произведени от тях Резюме: Настоящото изобретение е насочено към процес за бързо отлежаване на спиртни напитки и към напитките, произведени чрез този процес. По време на процеса, годна за консумация спиртна смес влиза в контакт с ултразвукова енергия с мощност поне 3 вата/литър. Ако е необходимо, към спирта освен ултразвуковата енергия могат да се добавят различни подправки, за да се ароматизира напитката. Ултразвука води до бързото завършване на процеса на отлежаване на алкохола и създава годен за консумация продукт с уникални характеристики, който може да има аромат и пивкост, надминаващи тези на годните за консумация алкохоли, отлежали при по-бавни и традиционни процеси. ПРЕДИСТОРИЯ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТОСпиртните напитки, като водка, текила, ром, бърбън, скоч, бренди и други подобни, се произвеждат чрез процес на дестилация. Щом бъдат произведени, за да се подобри вкусът и пивкостта на напитката, много продукти се оставят да отлежават. Например, бърбъните и шотландското уиски по принцип отлежават поне три години, преди да бъдат продадени за консумация. Ромовете, текилите и брендитата отлежават за различни периоди от 2 до 10 години или дори повече. В миналото, алкохолните дестилати, като бърбън и скоч, са отлежавали в дъбови бъчви или каци за дълги периоди от време. Напитките отлежават в дървени съдове, за да се премахнат нежеланите компоненти и да се придадат определени цветове, вкусове и аромати, които да подобрят пивкостта и вкуса на напитката. По време на процеса на отлежаване, дестилатите могат да реагират с елементите на дървото, като например, лигнини, танини и въглехидрати. Техниките на дестилация и отлежаване са претърпели малко промени през последните няколкостотин години. За съжаление, разходите за традиционните процеси на отлежаване са огромни и често представляват от половината до две трети, а и повече от цената на спиртните напитки за потребителите. Например, за да се осигури качеството на продукта, дъбовите бъчви трябва да се съхраняват в складове с внимателно контролирана температура и влажност за много дълги периоди от време. Производството на бъчвите е скъпо, а освен това те заемат и много пространство. Освен това, част от алкохолния продукт може да се загуби поради изпарения от порите на бъчвите. Освен това, въпреки че представлява най-добрият метод за подобряване вкуса на напитките към настоящия момент, естественото отлежаване в бъчви ограничава химичните реакции, за които се смята, че подобряват вкуса и качеството на напитките. Например, реакциите на окисление и естерификация, за които се смята, че осигуряват пивкостта и аромата на спиртната напитка са по-скоро неефективни и не могат да се завършат изцяло при температурите, които се препоръчват за ограничаване загубата на продукт поради изпарения. Следователно, при процесите на отлежаване трябва да се достигне баланс между повишената температура, необходима за химичните реакции, и по-ниската температура, необходима за ограничаване изпарението на продукта. Въпреки че са правени предишни опити за създаване на процеси за бързо отлежаване на дестилирани спиртни напитки, към момента нито един процес не е придобил реално търговско значение. Така възниква необходимостта от процес за бързо отлежаване на спиртни напитки който не само да осигури годна за консумация напитка, еквивалентна на традиционно отлежалите продукти по вкус, аромат, цвят и други характеристики, но и да подобри тези качества, чрез стимулиране на полезните химични процеси, свързани с процеса на отлежаване. За придаване на специфични аромати и привкуси могат да се добавят подправки към алкохола по време на обработката. Например, алкохолът може да влезе в контакт с желаната подправка и да се подложи на ултразвуковата енергия. Сред възможните подправки са дървесни чипсове, семена, плодове, ядки, растения, зеленчуци или смеси от тях. Ако подправката е твърда, тя може да се филтрира от напитката след обработката на алкохола с ултразвуковата енергия. Въпреки че не е отлежал в дъбова бъчва повече от три години, обработения с ултразвук алкохол, съдържа ванилин в количество, по-голямо от около 4.0 mg/L, и сирингалдехид в количество, по-голямо от около 8.0 mg/L. Други, нежелани вещества се откриват в по-малки количества в продуктите, получени чрез ултразвукова обработка, в сравнение с необработените продукти. Например, обработения алкохолен продукт може да има над 20% по-малко амилови алкохоли от същия продукт, който не е бил обработен с ултразвукова енергия. Ултразвуковата обработка предлага различни предимства и ползи пред традиционните процеси. Например, отлежали спиртни напитки могат да се произвеждат в рамките на минути или часове, вместо за няколко години, както се изисква за много процеси за традиционно отлежаване. По време на процеса на ултразвуковата обработка се губи много по-малко алкохол от изпарения, в сравнение с традиционните методи на отлежаване. Освен това, процесът на настоящото изобретение може да произведе аромат в напитките, използвайки много по-малко подправки, например по-малко сурово дърво, като качеството на аромата е същото като при другите процеси на ароматизиране. Алкохолът може да се свърже с подправки, които имитират аромата, който се получава с времето в дървените съдове. Например, в едно примерно изпълнение, смес от дървени частици от един или повече източници може да се комбинира с алкохола. Дървените частици трябва да са с подходящ размер, например размера на стандартни дървени тресчици, за да може алкохолната напитка да осъществи близък контакт с дървото. Дървените частици могат да се вземат от различни видове дърво, като твърда дървесина, включително например дъб и клен. Повърхността на дървените частици може да е обработена например чрез препичане или обгаряне, добавяне на ароматни елементи по повърхността или да се използва дърво, което вече е служило при отлежаване на алкохоли. В долната таблица са дадени примерни добавки към обработвания алкохол.
Процесът на настоящото изобретение е икономичен и не изисква много труд и оборудване. Установено е, че ароматът на алкохолите, произведени чрез настоящия процес, не изчезват с времето, дори при неблагоприятни условия на съхранение, например съхранение в склад при приблизително 20° С. Това е установено не само за тези аромати, типични за традиционно отлежалите спиртни напитки, като например традиционните аромати на бърбън, джин, ром, бренди и т.н., но и за аромати, които са били добавени към напитката. Например, към алкохолна напитка като водката може да се добавят цитрусови аромати; някои аромати на цветя могат да се асоциират с ром или скоч. Когато се обработват чрез настоящото изобретение, тези ароматизирани алкохоли могат да задържат добавения аромат по-добре и за по-дълго време, отколкото ароматизираните алкохоли, обработени чрез други процеси на отлежаване и ароматизиране. Установено е, че процесът на настоящото изобретение подобрява прозрачността на напитката. Установено е, че характеристиките на продуктите, произведени от настоящото изобретение са постоянни и не изчезват с времето. Всъщност е установено, че характеристиките на продукта, произведен чрез настоящото изобретение не само са устойчиви, но и продължават да се подобряват с времето, което предполага, че се получава постоянна физична и химична трансформация чрез процесите на настоящото изобретение и че може да се произвежда подобрена алкохолна напитка. ПРИМЕР 1Беше създадена тестова програма, която сравнява добавянето на различни нива и видове дървени частици към неотлежали 80-градусови пшенично уиски и ром, след което те се подлагат на различни ултразвукови енергийни нива в комбинация с различни захарни катализатори. Смесите бяха филтрирани с фибри, както отделно, така и при наличието на въглища и/или инфузорна пръст. При някои със смесите бяха комбинирани готови проби ароматни добавки като например цитрус, ванилия, американски орех, орех и др., които бяха подложени на допълнителна ултразвукова обработка. Всички тествани проби показаха различни степени на подобрение. Тези, описани по-долу, са типични за едно примерно изпълнение на изобретението. Еднакви проби от по 6 унции 80-градусово неотлежало пшенично уиски (което може да се намери на пазара под името Georgia Moon) бяха измерени в 500 ml буркани, към които бяха добавени 15 ml обикновен и препечен прах от дъбово дърво и 30 ml обикновен прах от кленово дърво. След това всяка проба беше поставена в търговска ултразвукова машина, като водата достигаше до гърлото на контейнера, след което пробите бяха обработени с ултразвукова енергия. Пробите бяха изваждани на всеки пет минути, като последната беше извадена 50 минути след началото. Обработените проби бяха филтрирани с хартия и златна метална мрежа, след което бяха оценени според субективни критерии, както е посочено по-долу в таблица 1 (скала от 1 до 10, като 10 е най-добрият резултат) в сравнение със стандартен бърбън (Jim Beam), отлежал четири години. Вкусът беше сравнен както за обикновените 80-градусови проби, така и за тези, смесени с вода до 40 градуса.
ПРИМЕР 2Две еднакви проби от по 14 ½ унции (А и Б) бяха приготвени чрез комбинация от Georgia Moon (80 градуса) и Everclear (90 градуса). След това пробите бяха повторно филтрирани в ръкавен филтър, съдържащ активен въглерод, след което бяха поставени в ултразвуково устройство за два часа. След това пробите бяха отстранени и филтрирани с хартиен и златен метален филтър. Продуктите бяха сравнени с Wild Turkey на 8 години (80 градуса), както е посочено в таблица 2.
Ароматните добавки подобриха аромата и вкуса на пробите А и Б до нива 9 до 10. ПРИМЕР 3Графиката на фигура 1 беше създадена чрез комбинация от газова хроматография и мас-спектрометрия. Анализът тества суров дестилат от известен доставчик на ром (Cruzan), търговската марка, която се произвежда от този дестилат (отлежала две години) и суровия дестилат 30 дни след обработката чрез процеса на настоящото изобретение. Тестът проверяваше наличието на виши алкохоли. Според резултатите и както може да се види на фигура 1, ромът, произведен чрез процеса на настоящото изобретение, съдържаше 12.4% по-малко метанол, 41.1% по-малко пропанол, 69.6% по-малко изобутанол и 29.7% по-малко амилови алкохоло в сравнение с подобен, традиционно отлежал ром. Тъй като етанолът е преобладаващият компонент в този тест, неговите върхове са пропуснати с цел по-голяма яснота. Също така, оста “y” е с променен мащаб, за да показва по-ясно количеството на търсените компоненти. Резултатите се смятат за точни и за други видове спиртни напитки, произведени чрез настоящото изобретение. Например, спиртни напитки, произведени чрез процеса на настоящото изобретение могат да имат поне около 10% по-малко метанол, 35% по-малко пропанол и около 20% по-малко амилови алкохоли от подобни видове напитки, отлежали поне две години в дървени бъчви. За целите на тази публикация амиловите алкохоли се дефинират като смес от изометрични алкохоли. Този ефект е особено забележим за изобутанола; настоящият продукт може да има над 50% по-малко изобутанол от подобна алкохолна напитка, която не е била обработена по настоящия процес. Въпреки че феноловите елементи, тествани по-горе, не са отговорни за аромата сами по себе си, графиката все пак показва ефективността, с която процесът на настоящото изобретение извлича ключови ароматни компоненти и превръща тези основно киселинни съединения в естери с по-гладък вкус с по-неутрални pH стойности чрез окисление/етоксилация. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
