苹果汁芳香物质的研究：传统蒸发,精馏工艺回收苹果汁芳香物质

磊工业 Food and Fermentation Industries 苹果汁芳香物质的研究 7_s 2 — — 传统蒸发、精馏工艺回收苹果汁芳香物质’ 张 建 军 (北京农业 西 _京，1oo∞4) 摘 要 为 了评价用于芳香物质回收和果汁浓缩的蒸发、精馏设备的合理性及完善工艺，利 用三效蒸发、精馏试验设备(PAF 53S，Unipek'tin)对苹果汁芳香物回收进行了研究。结果明， 芳香物在分离、回收过程 中有相当部分被损失掉，回收率只有 33．84 选主要取决于芳香物 的冷凝回收体系 醇类物质可以经过表面冷凝器凝结下来 ，而大部分醋和醛则要经过气体冷 却器或真空泵循环系统沉降下来。精馏过程中芳香物在精馏塔内的浓度是非常低的，这一结 果表 明，对于苹果汁芳香物的回收可以不应用精馏塔选一昂贵设备 使用气体淋洗器增加了 芳香物的损失，或者不使用，或者改变其结构。芳香物通过精馏塔水和冷凝水的损失可以忽略 不计 。 关键词 苹果汁，芳香物，蒸发，精馏 — — — — — 一 ● 曰 冲 芳香物回收和浓缩汁的生产是现代果汁 工业的重要内容，特别是苹果汁生产，已形成 了传统的工艺过程(图 1，图 2) 其重要性在 于贮存、运输费用的降低和浓缩果汁、浓缩芳 香物的化学、微生物的稳定性。虽然冷冻浓 缩、膜技术浓缩已应用到果汁浓缩的工艺中， 但 由于经济和技术的原因，目前普遍应用于 苹果汁工业中的还是传统的蒸发、精馏设备， 同时用于芳香物回收和果汁浓缩 ]。 苹果汁芳香物质的质量除与品种、栽培 地点、原料贮存、压榨工艺及其它处理有关 外，还与芳香物回收工艺本身有着密切的关 系 ]。伴随着芳香物的分离、浓缩，将会产生 芳香物的损失和变化 ，如何减少芳香物的损 失和变化根本取决于设备和工艺。因此，了解 各芳香物组分在芳香物回收设备 中的变化和 研究该工艺条件下的芳香物产量和质量，对 于改进设备是极为重要的。本文在应用苹果 + 本文系作者在德国学习期间所作。 混合汁芳香物模型[12的基础上，Y-NN~ 苹果汁对于传统的芳香物回收和果汁浓缩的 蒸发、精馏工艺进行了系统研究。 材 料 与 方 法 一 、原 料 苹果汁(由多个品种混合压榨的新鲜果 汁)：取 自德国Kumpf公司。 二、设 备 三效 蒸发、精馏设备 (PAF53S，瑞士 u nipekfin公 司生产 )，是 Hohenheim 大学试验 车间的试验设备。主要包括：3个上升管式蒸 发器，1 2层钟式精馏塔 ，表面冷凝器，气液分 离器，气体冷凝器，液体循环真空泵，芳香物 冷却器，气体淋洗器。进料量为 30～80L果 汁／h，最大蒸发水量 50kg／h。设备工作示意 图见 图 3。 三、芳香物分析样品的制备 9 维普资讯 http://www.cqvip.com 《食品与发酵工业 》 Food and Fermentation Industries 辛茛缩芳香物直接与内标物和甲醇 (1．35rrd／0．25ml／0．30m1)在 1．8ml的 GC 自 动进样器小瓶中混合进行分析。甲醇在这里 起“牵引剂(dra韶ing solvent)”作用，使水溶液 中水对其它物质的峰不产生影响，同时，也防 止离子火焰熄灭 取自精馏塔各层及冷凝水 样品经过 C18柱浓缩 (方法见[2])后分析 苹果原汁中的芳香物和脱香果汁中的残留芳 10 酶处理 I芳香物蒸汽 ——一 ‘ ‘。 。。。一 ‘ 精 馏 冷 凝 f堕塑麦重塑 i 香物采用一种“蒸馏一萃取”法' 提取制备： lL果汁(含有 lppm 2一甲基戊醇做为内标)用 旋转蒸发器在 60'C，260～280 mbar真空度 下通人氮气(100ml／m／n)，分离出的芳香物先 后 经 过 水 冷 凝 器、液 氮 冷 ±井和 C18柱 (500rag)冷凝、吸附，提取时间为 2h，然后用 甲醇脱附、洗淋、收集后进行分析。 l堕． } 0 清 挑选 ’ 避 — 一 压 榨 一 果 碴 I 芳香物分离 饮用水 重新稀释 重新加^芳香物 I 澄清果汁 过 滤 超 滤 浓 缩 一 大罐贮藏 (最好冷藏) 图 1 苹果浓缩汁、浓缩芳香物及重新稀释的苹果箍清汁生产工艺 粒 ] 颗 一汁一 粗 一浊卜+ 掉 一混一 除 [ 藏藏 贮冷 ● ， 0 罐好 大最 维普资讯 http://www.cqvip.com 《食品与发酵工业》 Food and Fermentation Industries 1 995 No．2 芳香 新鲜果 t而o ) { t 匝亟 ‘ ： 臣匾 脱香果汁+水蒸汽一芳香物 一 ) 1— — — 回流(9蟛) (精馏塔 水) 脱香果汁(90 ) t 冷凝水(73 )一 蒸 发 浓缩汁 6l1(17 ) 图 2 苹果汁芳香物回收过程示意图 圈 3． 三效蒸发、精馏设备工作赢程示意图 1．预热器· 2，3．4．蒸发器； 5．浓缩汁冷却器； 6．精馏塔； 7．表面冷凝器； 8芳香物冷却器 ； 9．气、液分离器 ； 10．分流装置； 11．气体冷却器 1 2．液体循环真空泵； 1 3．气、液分离器； 14．芳香物冷却器； 15．气体琳洗器 汽 ～器 香坶 _l_ ]J 矗r’ ]_] 一 ；l __ ．～ 一 一 ．．．． 0，．一 维普资讯 http://www.cqvip.com 《食品与发酵工业 》 Food and Fermentation Industries 1995 No ． 2 四、芳香物组分的分离鉴定和定量分析 苹果汁芳香物组分的分离鉴定是借助于 苹果混合汁芳香物模型提供的保留时间t利 用色谱软件“APEX”编辑好的程序，在积分时 自动地鉴定出相应各个峰的物质 定量分析 也是借助于模型事先建立的“多水平计算一内 标 法，每一种组分都有一个相应的曲 线，在鉴定出组分时也 自动地计算出组分的 浓度。气相色谱的分离条件同芳香物模型分 析 。 结 果 分 析 一 、工艺参数稳定性观测 试验过程各工艺参数是否恒定对试验结 果起决定作用，特别是对物质交换尽快达到 平衡，使芳香物组分有效地分离、浓缩是非常 重要的。 裹 1． 试 验 工 艺 参 数 苹 果 汁 l】．6。Br，试验用量 300L·进料速度 80L／h 温 度 测试次数 平均值 (℃j 变异范围(±) 瑗 热 器 8 61．7,5 4．44 蒸 发 器 1 8 84 0 蒸 发 器 2 8 73 O 蒸 发 器 3 8 62 o 精馏塔底部 8 62 o 精馏塔厦部 8 ,59 O 真空度 测试次数 平均值(m阻T) 变异范围(工) 蒸 发 器 1 8 580 0 蒸 发 器 2 8 380 0 蒸 发 器 3 8 210 0 精 馏 塔 8 21 0 0 表面狰凝器 8 210 0 脱香果汁可溶性固形物浓度 ． 23．94。Br~0．015 回流比：大约 1：2O 芳香物流出调节 t0．8L，h 芳香物产量 o．9B ，大约 1：loo(浓缩芳香物 t原果汁) 玲 凝 水 量 l 6．59 精馏塔水量 ． 33．75％ 蒸 发 比 51．43 土0．O12 蒸 发 水 量 41．14L／h 表 1数据表 明，整个试验是在极稳定的 状态下进行 的，预热器温度由于蒸汽供给和 手动阀门有些变异，但起决定作用的蒸发器 1由于靠 自动阀门控制蒸汽的供给，所以温 度未发生变化 ，进而蒸发器 2，3和精馏塔 内 部的温度也保持恒定，整个系统的真空度也 是稳定的。蒸发比通过脱香果汁可溶性固形 物浓度和总蒸发量计算的平均值为 12 51．43 。芳香物产量通过流出量调节 (o．8L／h)为 0．98 ，大约 100倍于原果汁浓 度 。 二、芳香物组分分离、回收效果 通过浓缩芳香物与原果汁中芳香物浓度 比较，总回收率为 53．3 ，单一组分的回收 率见图 4。 维普资讯 http://www.cqvip.com 《食品与发酵工业 》 Food and Fermentation Industries 1 0 0U ’0 00 0u 00 ec 0 一 40 m ， 三竺 譬 譬 呈兰 茎亏萼 喜 ■ ． I一峨 l ■ 器 一叫 々 一 图 4 芳香物回收率及脱香果汁中芳香物残留率 从脱香果汁中残留的芳香 物 1．45 来 看，果汁中的芳香物几乎全部得到分离，但并 没有被全部回收下来，特别是对苹果汁芳香 物起主要作用的酯类物质，回收率只有 |目 害 聃 33．84 。某些物质在回收过程也得到了增 加，例如 2己烯醛和丁醇。 三、芳香物精馏过程中在精馏塔内的分 布状况 置 薹 蜘 样 蜘 窘 蜘 蜘 蜘 菡 粪 图 ． 醇类物质在精馏塔内的分布 1}丙酵 } 2：丁酵 3{2一甲基丙醇{ 4：虎醇； 5：3一甲基丁醇 ； 6：2一甲基丁醇； 7：己醇； 8：2己烯醇{ 9：辛醇{ 10： 一萜品醇 0．1 0，01 0．0o1 ■■●l 曩譬矗矗_I囊 ■■囊 ■—目■■日圈 芒 薯■—■■曩曩 譬墨譬■■l 曩—■—■曩曩 目●■■■——■目霍 ∈一； c一 } 一芒 ￡ 一 三荽 一 _1 、 维普资讯 http://www.cqvip.com 《食品与发酵工业》 Food and Fermentation Indus廿 图 5和图 6为进料量 300L时精馏塔各 层及精馏塔水和回流中芳香物的分布状况。 表明了各芳香物组分在精馏塔内各层中的浓 度是极低的，虽然每个组分表现情况不同，但 与回流相比相差甚远，说明各组分都几乎以 气态通过精馏塔直接冷凝。 二蔓＼． —L一 蓁 曼 垂 垂 垂 垂 垂 量 主 蔷 图 6． 酯、醛类及总平均值在精馏塔内的分布 1．乙酸乙酯； 2．丁酸甲酯； 3．乙酸丁酯 ； 4．丁醛； 5．己醛； 6 2一己烯醛； 7．平均 四、芳香物冷凝、沉降行为 表 2为回流中芳香物浓度与终产物的比 较。醇类物质在回流中的浓度高于终产物，酯 类和醛类相反。 表 2． 回流和终产物中芳香物比较 (10O倍于原果升浓度) 有机物名称 回流(ppm) 鲣产物(ppm] 丙 醇 52．55 43．30 丁 醇 310．59 273．29 2 甲基丙醇 36．21 32．66 度 醇 2 88 2．88 3 甲基丁醇 1 73 2 5O 2、甲基丁醇 93 78 82 13 己 醇 儿6．1j 94．76 2一己烯醇 23．33 19．31 辛 醇 0 1 9 0 24 n一萜品醇 0．07 0．04 14 乙酸乙酯 153．10 256 23 丁酸甲酯 0．26 0 62 丁酸乙酯 8．41 1 7 67 乙酸丁酯 22．28 42．47 2一甲基丁酸乙酯 0．56 乙酸戊酯 0．34 3一甲基乙酸丁酯 9．80 22．41 乙酸己酯 1．93 3 l 4 乙酸一2一己烯酯 0 34 丁酸己酯 0．04 2甲基丁酸己酯 0．03 0．07 酯类总和 l95．8] 343．90 丁 醛 8．96 6．61 己 醛 4 22 10 22 2一己烯醛 60．21 66．11 醛类总和 73．39 82 合 计 906．685 977．95O 维普资讯 http://www.cqvip.com 《食品与发酵工业》 Food and Fermentauon Industries 表 2结果说明，表面冷凝器只能使大部 分酵类物质冷凝沉降下来 ，大部分酯类不是 通过表面冷凝器，而是 由后面提及的气体冷 却器或液体循环真空泵冷凝回收的。 五、气体淋洗器效果评价 在利 用苹果汁芳香物模型试验中发现， 芳香物终产物的浓度低于真空泵循环系统中 芳香物的浓度。所以在用新鲜果汁试验中．芳 香物不经过气体淋洗器，结果(表3)表明，终 产物 中芳香物的浓度与真空泵循环系统中的 浓度相差不大．说明不利用气体淋洗装置，芳 香物 回收效果可以改善。 表3 真空泵循环系统和终产韧芳香枷比鞍 (IO0倍于原果汁浓度) 有机物名称 真空泵(ppm) 终产物(ppm) 丙 醇 43 2O 43 30 ． 丁 醇 256．02 273．29 2一甲基丙醇 30．21 32．66 戊 醇 2．38 2．88 3一甲基丁醇 1 62 2．50 2一甲基丁醇 77 87 82．13 己 醇 93．69 94．76 2一己烯醇 19 02 19．3l 辛 醇 0．09 0．24 a一萜品醇 O 03 0．04 醇类总和 524．13 551 l1 乙酸乙酯 233．57 256．23 丁酸乙醋 0．49 0．62 丁酸甲醋 l9．32 17．67 乙酸丁醋 47．2O 42．47 2一甲基丁酸乙醋 0．23 0．56 乙酸戊酯 0．47 0 34 3甲基乙酸丁酯 28 74 22．41 乙酸己酯 6．54 3．14 乙酸 2己烯酯 0．38 0．34 丁酸己酯 0．08 0．04 2甲基丁酸己酯 O l0 0 07 酪类总和 337．11 343 9O 丁 醛 7．14 6 61 己 醛 10．62 10．22 0 己烯醛 59．3l 66．11 醛类总和 77．07 82．94 合 计 938 307 977．950 六、精馏塔水和冷凝水中芳香物的残留 精馏塔水 冷凝水 有机物名称 (ppm) (ppm) 丙 醇 0．360 丁 醇 0．006 0．225 2一甲基丙醇 0．013 戊 醇 0．001 3一甲基丁醇 0 003 0．047 L 2一甲基丁醇 0 001 0．030 己 醇 0．O18 0．O97 2一己烯醇 0．003 0 035 辛 醇 0．000 0．000 a一萜品醇 0 002 勺 002 醇类总和 0．034 0．8II 乙酸乙酯 0 014 0 057 丁酸乙酯 O．003 丁酸甲酯 0．00I 乙酸丁酪 O．006 3一甲基乙酸丁酯 O．004 醋类总和 0 014 0 072 丁 醛 O 044 O．051 己 醛 0 002 2一己烯醛 O．009 0．036 醛类总和 0．052 0．089 合 计 0 100 0．972 表 4结果表明．芳香物经精馏塔水和冷 凝水的损失是极微小的。 讨 论 一 、在试验中，总蒸发比为 51．43 ，与 工业化生产 中先蒸发大约 5O 回收芳香物． 脱香果什(半浓缩)经过澄清处理后．再进一 步浓缩是相仿的。对于苹果什大约只需要 10 ～ 2o 的蒸发 比就可以使大约 90 以上的 芳香物得到分离- ，蒸发比 50 几乎可以将 全部芳香物组分分离出来。但回收下来的芳 香物却不是全部．特别是对芳香物质量起重 要作用的酯类物质，在回收过程中损失较大 这与酯类物质易挥发、难以冷凝沉降的特性 有关，同时，也说明设备的芳香物回收体系即 冷凝效果还不够完善，需要进一步改进。己烯 l5 维普资讯 http://www.cqvip.com 《食品与发酵工业》 Food and Fermentalion Indusxries 醛增加是由果汁中的前体物质郎不饱和脂肪 酸和中间产物在加热过程中产生的 Bolen．z[ ’ 在其研究中也发现了同样的结果。 二、根据芳香物在精馏塔内分布结果来 看，说明苹果汁芳香物的回收可以不经过精 馏过程，即不需要精馏塔装置，这也是取决于 苹果汁芳香物易挥发性的特点。可以通过少 量蒸发、部分冷凝或者直接冷凝来进行回收， 但前提是要有有效的分离和完善的冷凝体 系 三、从芳香物在设备中的冷凝沉降行为 来看，也要求芳香物回收的冷凝效果加强，或 者回收结构改进，使分离后的芳香物有效地 冷凝回收下来。 四、气体淋洗器的作用是利用芳香物终 产物将气体中“携带”的芳香物洗淋回收下 来。但是由于芳香物终产物的量少，淋洗器内 部表面积大，反而由分离出的气体将部分芳 香物 终产物中带走。在利用模型研究时，发 现在气体中所“携带”的芳香物是很少的，所 以，一方面可以不利用气体淋洗器 ，另～方面 要求淋洗器的结构改进。 参 考 文 献 [1：张建军：食品工业科技 ，1992，(6)；17—24 [2]张建军 ：食品工业科技，1992，(6)：24--29 [3] № ，& ：~wertung und O~imierung 4er ．a~-,omagewinnUngⅡus Fruchtsaften dutch、T盯出 r呻 fung (Dis~eFtafion)．Urgversitat Hohenheim， IDstitut fur Lebensminel~echnologie 1993．132— 1,58 [4]Guerra，C ；Dutch m Behandlun~in- duzier~e I／％randerungen des Aromas "／on Apfelsaft (npiomarbeh ．Un[versimt I-lohenhelm，Insthut fur Lebensmtv．e!．technolo~ie，1992．3O一 32 ~5]ttochberg，u }nu困ges ol拭，1987，(3]：1--8 [6]PalB，M．，l~ielig．H—J．：Indu．．mielteIKgrnezen hqerung u Arc咖 g nn咖口g"Con u g曲 Leba1sllli} te[n． Bedin．Vertrieb HHtotBe k 1978．292— 32I r7]Sulc．D．}Contrucm～ Smdien，l984，28(3)： 258— 318 Study OH the Aroma Recovery from Apple Ju — — Cbnvendona1 Evaporation and Recatifiction Technology Zhang Jianjun (Departrnen'~of Food Science，Beijing Agricultural University．，Bei~ng，100094) ABSTRACT Evaporation and rectification instrument is used widely in aroma recovery and fruit jtrice concen- ~ation t~ ma linstrument andmehnology arethe basicfactorsforthe al'onla quatiW． experimen- tal result wi血 an 3-steps evaporation and rectifieauon pilot ur~t(PAF 53 S，UMpektin)for apple juice Dre studies，the result show that a part of arorfla were lost during the separating and recovery (33．84 )．It depended Oil the system of cooling condensation ?dcohols could be condensed by surface eonden~tor，but most of the esters and aldehydes were adsorbed in the gas cooler and vacU／II pump sya- tern．-qhe concentrallons of the aroma conlponents in the rectification colum were very low during the process, aiN)rlla concen~ation of apple ． ． uice can be carried OUt without the rectification instrument Eecause usingthe gas washing eolum increased the aTonla loss，suggest that do nOt LINe fl orimprove it's StruCDdl~．Tae aronlHlossinthe rectificationwater and condensatewas veryIittle． Kew w"凼 Al收 iuice，Aroma，Evaporation，Rectification I6 】 ● 维普资讯 http://www.cqvip.com