Вымораживание столовых сухих вин как способ производства слабоалкогольных напитков

О.В. Радионова, дои,., к.т.н.,
Л.А. Осипова, д.т.н.,
О.Г. Бурдо, д.т.н., проф., с.н.с.,
Одесская национальная академия пищевых технологий, 65039 г. Одесса,
ул. Канатная, 112

ВЫМОРАЖИВАНИЕ СТОЛОВЫХ СУХИХ ВИНОГРАДНЫХ ВИН КАК СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА СЛАБОАЛКОГОЛЬНЫХ ВИННЫХ НАПИТКОВ

Разработаны основы технологии слабоалкогольных винных напитков с применением способа вымораживания столовых сухих виноградных вин. Определены экспериментальные зависимости значений криоскопических температур от концентрации отдельных компонентов столовых сухих вин. Обоснована методика расчета значений криоскопических температур для столовых сухих вин с разным составом.

Bases of technology of low-alcoholic winy drinks are developed with the use of method of freezing of table dry wines. Experimental dependences of values of cryoscopic temperatures are certain on the concentration of separate components of table dry wines. The method of calculation of values of cryoscopic temperatures is grounded for table dry wines with different composition.

Ключевые слова: криоскопическая температура, модельные расворы, спирт, экстракт.

Увеличение объемов производства напитков с низким содержанием спирта отвечает возрастающему спросу потребителей на эту продукцию, являющуюся здоровой альтернативой крепким спиртным напиткам [1, 2]. Традиционное производство слабоалкогольных напитков способом деалкоголизации вин дистилляцией, обратным осмосом, частичным сбраживанием сахаров виноградного сусла отличаются трудоемкостью и высокой себестоимостью конечного продукта. Перспективным способом производства таких напитков является разделение столовых сухих виноградных вин (ССВВ) на низко- и высокоалкогольную фракции способом вымораживания.
Воздействие холода на любые биологические объекты является предметом изучения многочисленных специалистов [3-7]. Вместе с тем, до настоящего времени издано ограниченное число работ по фракционированию вин вымораживанием, в которых на достаточно широкой информационной основе приведены обобщенные результаты исследований.
Вино представляет собой многокомпонентную гетерогенную систему, содержащую частицы различной степени дисперсности. Физические свойства вин находятся в прямой зависимости от присутствия в них воды, являющейся растворителем, от содержания которого зависит скорость диффузионных процессов, а также химических и биохимических реакций. Изменение фазового состояния воды является главным фактором, обуславливающим торможение указанных процессов.
Содержание воды в ССВВ колеблется от 80 до 90%. По своим свойствам вода в виноградном вине отличается от чистой воды вследствие наличия в ней спирта и комплекса экстрактивных веществ [8- 10]. Поэтому процесс разделения ССВВ на низко- и высокоалкогольную фракции вымораживанием следует рассматривать как изменение условий фазового равновесия при охлаждении многокомпонентных гетерогенных систем, а группу растворенных веществ (спирта и комплекса экстрактивных веществ) как один компонент, обозначаемый как неводный компонент раствора.
При выборе температурного режима процесса вымораживания воды из вин важной физической характеристикой, имеющей значение как при выборе температурного режима, так и в тепловых расчетах является криоскопическая температура вина (tкp). Она зависит, в основном, от концентрации спирта. Влияние сахара на tкp вина становится заметным только при содержании его в большом количестве. Экстракт сильнее сахара влияет на tкp, но почти в два раза слабее, чем спирт. В ССВВ, полученных путем полного сбраживания виноградного сусла без добавления спирта, массовая концентрация остаточных сахаров составляет не более 3 г/дм³. Следовательно, сухие вина можно рассматривать как водные растворы только спирта и экстракта [11, 12].
Таким образом, величины криоскопических температур различных вин не одинаковы и находятся в зависимости от их химического состава. Согласно литературным данным [12-14], криоскопическую температуру сухих вин определяют по эмпирической формуле
(1)
где- криоскопическая температура сухого вина,
°C; t - криоскопическая температура раствора вода - экстракт,°C;
а - коэффициент, зависящий от концентрации экстракта;
х - объемная доля спирта в вине, %.
По приведенной формуле криоскопическую температуру сухих вин можно рассчитать в диапазоне концентрации экстрактивных веществ от 1 до 6% на основании значений величин tэ и а, полученных по величине общего экстракта путем линейного интерполирования. Однако процесс криофракционирования вин необходимо представлять как непрерывное понижение криоскопической температуры, поскольку она зависит от концентрации экстрактивных веществ, которая в описываемом процессе возрастает с понижением температуры. Следовательно, по предложенной формуле невозможно рассчитать t вина при более высоких значениях приведенного экстракта. Также необходимо учесть тот факт, что приведенная формула - одна для расчета криоскопической температуры и белых, и красных вин, отличающихся разным количественным и качественным соотношением экстрактивных веществ. Это и дает основание предположить, что значения криоскопических температур t для белых и красных вин не должны быть одинаковыми даже в случае совпадающих кондиций (по спирту и экстракту).

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для определения криоскопических температур: 1 - корпус криостата; 2 - тепловая изоляция; 3 - испаритель холодильной машины; 4 - рабочая ячейка; 5 - холодильная машина; 6 - термопара; 7 - металлический блок с цилиндрической емкостью для продукта; 8 - продукт; 9 - пробка из теплоизоляционного материала; 10 - холодный спай; 11 - сосуд Дьюара; 12 - милливольтметр цифровой.

Наиболее точные значения t вин можно получить только экспериментально - путем прямого измерения температуры в момент замерзания вина. Поэтому необходимо было провести специальные исследования, цель которых - обоснование более строгой методики расчета криоскопических температур столовых сухих виноградных вин.
Криоскопические исследования проводили термопарным методом на экспериментальном стенде (рис. 1), созданном на кафедре «Процессы и аппараты» ОНАПТ и представляющим собой криостат 1, в котором размещена рабочая ячейка 4 с продуктом 8 и термопарой 6. Термопара вмонтирована в капилляр из нержавеющей стали толщиной 0,75 мм и помещена в центре ячейки 4. Ячейка 4 выполнена из массивного блока теплопроводного материала 7, что позволяло сглаживать пульсации температуры в камере криостата.
Надежная теплоизоляция наружной поверхности криостата, чехла термопары, а также термостабилизация холодного спая гарантировали необходимую точность экспериментальных данных. Градуировка стенда по дистиллированной воде позволяла корректно определять нулевую точку. Регистрацию разности ЭДС (электродвижущей силы) между термопарой в рабочей ячейке и холодным спаем проводили с помощью цифрового милливольтметра Щ 304-2.
Для проведения исследования криоскопических условии готовили модельные растворы белых и красных столовых сухих вин с различной концентрацией спирта [15, 16] и экстракта [13]. В рабочую ячейку отбирали пробу модельного раствора в количестве 2 см³ и размещали в ней термопару так, чтобы она находилась в середине слоя жидкости. Для этого термопару закрепляли по центру пробки из теплоизоляционного материала. Ячейку размещали в центре криостата, при этом место ее расположения являлось постоянным для всех исследований. В процессе охлаждения рабочей ячейки с раствором в криостате снимали показания цифрового милливольтметра.
Как уже упоминалось, ССВВ - это сложная система, в которую входят вода, спирт и комплекс экстрактивных веществ [17]. Вода как основной компонент столовых виноградных вин, представляет собой непрерывную фазу, в которой компоненты химического состава распределены в виде истинных растворов. Условия фазового равновесия такой системы зависят от совместного действия всех ее составляющих. Эти факторы определяют физические свойства воды и процесса ее вымерзания. Содержание в воде веществ, образующих с ней истинный раствор, обуславливает изменение ее характерных свойств: снижение криоскопической температуры, повышение температуры кипения и снижение давления водяного пара над раствором [4, 18].
Типичный вид температурных кривых, полученных при исследовании ССВВ в зависимости от их химического состава, приведен на рис. 2. Совокупность точек с постоянной во времени температурой характеризует криоскопические условия.

Рис. 2. Температурные кривые белых (а) и красных (б) ССВВ с разным содержанием спирта: 1 - вино с массовой долей этилового спирта 7,2%; 2 - вино с массовой долей этилового спирта 9,64%.

Для расчета значения криоскопической температуры смеси, состоящей из нескольких компонентов, был применен принцип аддитивности криоскопических температур отдельных компонентов
с учетом доли каждого из компонентов


Для обоснования универсальной методики расчета значений криоскопических температур для ССВВ с разным составом выявляли зависимость значений криоскопических температур от химического состава модельных растворов: «вода- спирт», «вода-экстракт» и «вода-спирт-экстракт» (табл. 1, рис. 3).
Анализ рис. 3 показывает, что при постоянной концентрации спирта и разной экстрактивности, а также для растворов, не содержащих этиловый спирт с разной экстрактивностью значения криоскопической температуры для красных вин меньше, чем для белых.
Для расчета криоскопических температур водных растворов отдельных компонентов на основе полученной базы экспериментальных данных рекомендуются соответствующие регрессионные модели.

Таблица 1
Диапазон экспериментальных исследований

Для системы «вода - спирт»:

Для системы «вода - экстрактивный комплекс» белых ССВВ»:

Для системы «вода - экстрактивный комплекс красных ССВВ»:

Соотношения (3-5) получены при обработке массивов экспериментальных данных с применением стандартных прикладных программ приложения Excel.
Результаты расчетных методов определения t могут быть признаны достоверными и пригодными для решения поставленной задачи только после обоснования их равнозначности (односторонности) со «стандартной» величиной, которой являются значения t опытного определения показателя.

Рис. 3. Зависимость криоскопических температур от концентрации неводных компонентов: а) от экстрактивности модельных растворов с массовой долей этилового спирта 3,18 %; б) от экстрактивности модельных растворов, не содержащих этиловый спирт; в) от концентрации неводных компонентов для белых сухих вин; г) от концентрации неводных компонентов для красных сухих вин; 1 - раствор "вода - экстракт белого вина"; 2 - раствор "вода - экстракт красного вина"; 3 - белый ССВВ; 4 - красный ССВВ; 5 - раствор "вода - спирт"; С - массовая доля неводных компонентов, %; Э - массовая доля экстрактивных веществ, %

Сравнительный анализ экспериментальных значений t с расчетными значениями t по модели (2) показал, что отклонения между расчетными и экспериментальными данными не превышают 5%. Следовательно, модель (2-5) корректно описывает как белый, так и красный виноматериал в диапазоне концентрации неводных компонентов 0...20% и рекомендована для практического применения при расчете криоскопических температур столовых сухих виноградных вин.
Для практического использования предлагаются следующие формулы расчета криоскопических температур столовых сухих вин:
- белых

где a1 и а2 - отношение соответственно массовой доли спирта и экстракта к массовой доле неводных компонентов в вине.
Таким образом, получены формулы расчета криоскопических температур белых и красных столовых сухих виноградных вин в широком диапазоне показателей качества в процессе вымораживания. Разработанная методика расчета позволит обосновать технологию слабоалкогольных напитков способом блочного вымораживания.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Валуйко Г.Г. Технология вина / Г.Г. Валуйко, В.А. Домарецкий, В.О. Загоруйко. — Киев: Центр учебной литературы, 2003. — 604 с.
2. Валуйко Г.Г., Шольц-Куликов Е.П. Теория и практика дегустации вин. - Симферополь: Таврида, 2001. - 248 с.
3. Головкин Н.А. Холодильная технология пищевых продуктов. - М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1984. - 240 с.
4. Постольски Я., Груда З. Замораживание пищевых продуктов. — М.: Пищевая пром-сть, 1978. — 608 с.
5. Физико-технические основы холодильной обработки пищевых продуктов / Аверин Г.Д., Журавская Н.К., Каухчешвили Э.И. и др.; под ред. Э.И. Каухчешвили. — М.: Агропромиздат, 1985. — 255 с.
6. Холодильная техника и технология / Под ред. А.В. Руцкого. — М.: ИНФРА-М, 2000. — 286 с.
7. Холодильные установки / Чумак И.Г., Чепурненко В.П. и др.; Под ред. д-ра техн, наук, проф. И.Г. Чумака. — М.: Агропромиздат, 1991. — 495 с.
8. Аношин И.М., Мержаниан А.А. Физические процессы виноделия. — М.: Пищевая пром-сть, 1976. — 376 с.
9. Постольски Я., Груда З. Замораживание пищевых продуктов. — М.: Пищевая пром-сть, 1978. — 608 с.
10. Холодильная техника и технология / Под ред. А.В. Руцкого. — М.: ИНФРА-М, 2000. — 286 с.
11. ДСТУ 480692007. Вина. Загально технічні умови.
12. Лабораторный практикум по курсу «Технология вина»/ А.А. Мержаниан, В.Ф. Монастырский, И.Б. Платонов и др.; под ред. А.А.Мержаниана. — М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1981. — 216 с.
13. Методы технохимического контроля в виноделии / Под ред. Гержиковой В.Г. — Симферополь: Таврида. — 2002. - 260 с.
14. Субботин В.А. Физико-химические показатели вина и виноматериалов / В.А. Субботин, С.Т. Тюрин, Г.Г. Валуйко. — М.: Пищевая пром-сть, 1972. — 161 с.
15. Стабников В.Н. Этиловый спирт / В.Н. Стабников, И.М. Ройтер, Т.Б. Процюк. — М.: Пищевая промышленность, 1976. — 272 с.
16. Фертман Г.И. Разведение и укрепление спиртов. —  М.: Пищепромиздат, 1952. — 140 с.
17. Валуйко Г.Г. Технология виноградных вин. — Симферополь: Таврида, 2001. — 624 с.
18. Фролов С.В. Тепло- и массообмен в расчетах процессов холодильной технологии пищевых продуктов / С.В. Фролов, В.Е. Куцакова, В.Л. Кипнис. — М.: Колос- Пресс, 2001. — 144 с.