專利名稱：麥芽汁煮沸方法及實現該方法的麥芽汁煮沸裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及能夠改善用于啤酒或麥芽酒生產的麥芽汁煮沸裝置的分離和發散效率的麥芽汁煮沸方法及實現該方法的麥芽汁煮沸裝置。
在啤酒、麥芽酒及類似產品生產的麥芽汁制造步驟，由糖化醪經過濾得到的麥芽汁在麥芽汁煮沸鍋中與啤酒花一起煮沸，將廢啤酒花或類似物除去并將所得的液體冷卻，之后冷麥芽汁進入下一發酵步驟。
麥芽汁煮沸步驟具有如下功能(1)啤酒花的活性成分(苦味物質和風味成分)滲濾進入麥芽汁；(2)麥芽汁中的可凝固蛋白質凝固；(3)使麥芽汁中的殘余酶失活并對麥芽汁進行滅菌及(4)揮發除去過量的水并由揮發和發散除去對啤酒的風味和口感不利的揮發物。
但由于從麥芽汁中揮發和分離揮發物是根據沸騰時從麥芽汁中揮發出的水分數量進行操作的，因而麥芽汁煮沸步驟需要很大能量。然而，幾乎沒有辦法降低所需能量。
本發明人著眼于上述麥芽汁煮沸步驟的第(4)個功能。本發明人預想不僅由于單純水分揮發所致的濃縮作用而且還有麥芽汁中的多種揮發物及不揮發物的揮發、發散及分離與水分的揮發一起影響著產品的風味與口感。即從麥芽汁和啤酒花中得到的與風味和口感有關的揮發物隨水分的揮發或基于高溫下的氣-液平衡原理轉移到氣相(即這些物質被從麥芽汁中揮發和分離)。預期這些揮發出的揮發物的數量與水分揮發率有關，這對產品啤酒、麥芽酒及類似產品的風味和口感影響極大。
這些事實與經驗規則相符，以下現象如由于從未密封部位或類似部位吸入空氣導致冷凝液回流的煮沸鍋液上氣體的溫度降低和麥芽汁中溫度的分布、如煮沸鍋內溫度低于沸點的區域的存在都使作為目標的氣-液平衡狀態不能達到而造成啤酒、麥芽酒及類似產品的風味和口感不理想。
進一步，根據本發明人的研究結果已發現，不僅麥芽汁中的揮發物而且沸點高于水沸點的物質如不揮發物在麥芽汁煮沸時在相當短時間內減少。這可能是由于溶解的配料的發散機制而不是揮發在煮沸麥芽汁時起作用。在這一點上，根據本發明人的分析，在煮沸的麥芽汁中形成的氣泡與氣相接觸破碎時，在氣相中形成細小液滴。細小液滴的形成與肥皂泡破裂時周圍出現的噴射狀水霧相似。這些細小液滴與上升氣相一起排出煮沸裝置。細小液滴含有溶解在麥芽汁中的物質，尤其是趨向于在氣相和液相之間的邊界上聚集的揮發物及不揮發物。由此，麥芽汁配料的結構狀態根據煮沸麥芽汁時的狀態差異而改變，預計這對作為最終產品的啤酒的風味和口感有影響。
因此，本發明人研究開發了在煮沸麥芽汁時有助于從麥芽汁中揮發和發散其中的待揮發、發散及分離的物質的方法。從而他們發現，增大氣-液平衡關系的推動力促進氣-液交換能力使得能夠快速分離和除去揮發物，并且在煮沸麥芽汁過程中產生氣泡將揮發物及不揮發物揮發并發散到氣相，這使得降低該步驟所需要的能量成為可能。這些發現導致本發明的實現。
首先，權利要求1所述的本發明提供在啤酒或麥芽酒生產中麥芽汁制造步驟過程中進行的煮沸麥芽汁的方法，其特征在于改善麥芽汁煮沸裝置中的麥芽汁與氣相之間的接觸程度而提高煮沸麥芽汁時麥芽汁中的待揮發和發散的物質的揮發和發散效率并降低煮沸麥芽汁時的熱能需要。
本發明人針對如下事實，即，在麥芽汁煮沸過程中二甲硫(下文縮寫為“DMS”)的揮發和發散是通過S-甲基蛋氨酸(下文縮寫為“SMM”)即DMS的前體經熱反應生成DMS以及DMS向氣相中揮發的連續過程進行的。本發明人已建立了該連續過程的反應速率方程并將麥芽汁煮沸過程中生成的SMM和DMS量的測量值代入計算了各連續過程的“反應速率系數”和“揮發速率系數”。此后，本發明人發現其中的揮發速率系數依賴于煮沸時的供熱速率而增加并隨煮沸裝置的形狀而改變。
即當供熱速率增加時，麥芽汁在煮沸裝置中流動劇烈，麥芽汁與氣相間的接觸程度增加，更易于從麥芽汁中揮發并發散出揮發物，由此使揮發速率系數增加。進一步，即使供熱速率相同，當采用麥芽汁在裝置內能有效流動混合且氣-液進行劇烈接觸的煮沸裝置時更易于揮發、發散出揮發物而使揮發速率系數增加。
由以上事實，通過比較揮發物的揮發速率系數能夠評估麥芽汁煮沸過程中的揮發物揮發發散效率或麥芽汁煮沸裝置的揮發物揮發發散效率。然而就嚴格意義上的反應速率而言，在評估DMS的揮發和發散效率時不僅需要比較DMS揮發和發散過程的發散系數，而且也需要考慮在先的過程即由SMM生成DMS的轉化。但DMS的生成趨向于主要隨溫度而增加。因此，對于麥芽汁維持在沸點溫度幾乎不變的麥芽汁煮沸過程，幾乎觀察不到變化。因而，揮發速率系數是確定發散效率的第一個因素。權利要求1所述的上述發明是基于這一評估方法而提出的。
其次，權利要求2所述的本發明提供權利要求1所述的方法，其中將流經設在麥芽汁煮沸裝置的麥芽汁煮沸鍋內、將煮沸鍋中的麥芽汁加熱煮沸的換熱器的麥芽汁數量增加而改善裝置內麥芽汁與氣相之間的氣-液接觸程度。
麥芽汁煮沸裝置的結構通常如

圖1所示。設在煮沸裝置內加熱麥芽汁的換熱器示于圖2，換熱器設有多個加熱管3。
采用熱水、高溫蒸汽或高溫加熱介質繞加熱管3流動，由此將裝在麥芽汁煮沸裝置內的麥芽汁加熱到沸點。達到沸點的麥芽汁由加熱管3暴沸并在煮沸裝置中以如下順序循環煮沸鍋內部→換熱器(加熱管)→分布器4→麥芽汁液面→煮沸鍋底部。分布器4用于使煮沸的麥芽汁返回到麥芽汁液面。
由本發明人的研究結果發現，增加加熱管3的數目并縮短加熱管長度(即上述的麥芽汁循環速率加快且流過換熱器的麥芽汁數量增加而基本上不改變加熱面積)使得增加煮沸過程中的氣-液接觸程度成為可能。這些發現導致權利要求2所述的本發明的實現。
進一步，權利要求3所述的本發明提供權利要求1所述的方法，其中在麥芽汁煮沸的同時進行惰性氣體鼓泡以改善麥芽汁煮沸裝置中麥芽汁與氣相之間的氣-液接觸程度。
權利要求2和權利要求3所述的本發明提供改善權利要求1所述的麥芽汁煮沸裝置內的麥芽汁與氣相之間的氣-液接觸程度的具體措施。
更進一步，權利要求4所述的本發明提供評估煮沸麥芽汁過程中待揮發發散的物質的揮發效果的方法，其中在對啤酒或麥芽酒生產中麥芽汁制造步驟過程中通過煮沸麥芽汁有待從麥芽汁中揮發發散物質的揮發發散效果的評估中，將麥芽汁在惰性氣體鼓泡的同時煮沸預定時間，將麥芽汁中的殘余待揮發發散物質的組成作為氣相色譜圖輸入神經網絡，將該氣相色譜圖與事先輸入的、無惰性氣體鼓泡下煮沸過的麥芽汁中的殘余揮發物組成的氣相色譜圖進行比較并換算成無惰性氣體鼓泡下進行的煮沸時間輸出，這一煮沸時間相應于上述的煮沸時間，通過惰性氣體鼓泡提供的揮發物揮發效果由所得的煮沸時間長度來評估。
附帶說明，作為評估有惰性氣體鼓泡下的煮沸效果的方法，可采用上述權利要求1所述的對DMS揮發速率系數的比較評估方法。
進一步，與之相反，上述權利要求4中所述的采用神經網絡的比較評估方法亦可用于評估權利要求1所述的本發明。
最后，權利要求5所述的本發明是要提供在啤酒或麥芽酒生產中麥芽汁制造步驟過程所用的麥芽汁煮沸裝置，其特征在于它設有惰性氣體鼓泡裝置。
圖1示意表示權利要求1所述的本發明方法所采用的煮沸裝置的結構的實例。圖2示意表示圖1所示的煮沸裝置的柱體部分的結構。圖3所示為I型煮沸裝置中在初始煮沸時間為0小時時的SMM濃度和DMS濃度變化圖。圖3(a)、3(b)、3(c)分別表示三級供熱速率條件即280兆卡／小時、210兆卡／小時及120兆卡／小時下的結果。圖4表示I型煮沸裝置中DMS實測值與計算值。圖4(a)、4(b)、4(c)分別表示三級供熱速率條件即280兆卡／小時、210兆卡／小時及120兆卡／小時下的結果。圖5表示II型煮沸裝置中在初始煮沸時間為0小時時的SMM濃度和DMS濃度變化圖。圖5(a)、5(b)、5(c)分別表示三級供熱速率條件即280兆卡／小時、210兆卡／小時及120兆卡／小時下的結果。圖6表示II型煮沸裝置中的DMS實測值與計算值。圖6(a)、6(b)、6(c)分別表示三級供熱速率條件即280兆卡／小時、210兆卡／小時及120兆卡／小時下的結果。圖7為SMM生成DMS的反應速率系數(k1)和DMS發散速率系數(k2)與麥芽汁煮沸鍋形狀及供熱速率的關系對比圖。
圖1到圖7中，標號1為麥芽汁煮沸鍋，標號2為換熱器，標號2A為換熱器一端，標號2B為換熱器的柱體部分，標號3為加熱管，標號4為分布器。
圖8為可用于實現權利要求3所述的本發明方法的麥芽汁煮沸鍋示意圖。圖9為可用于實現權利要求3所述的本發明方法的另一類型麥芽汁煮沸鍋的示意圖。
圖8和圖9中，標號11為麥芽汁煮沸鍋，標號12為麥芽汁，標號13為液面，標號14為加熱器，標號15為惰性氣體噴射部，標號16為人孔。
本發明如下所述。
如上所述，權利要求1所述的本發明是要提供在啤酒或麥芽酒生產中麥芽汁制造步驟過程中進行的煮沸麥芽汁的方法，其特征在于改善麥芽汁煮沸裝置中的麥芽汁與氣相間的氣-液接觸程度而提高煮沸麥芽汁時麥芽汁中的待揮發和發散的物質的揮發和發散效率并降低煮沸麥芽汁時的熱能需要。權利要求2所述的本發明是要提供權利要求1所述的方法，其中將流經設在麥芽汁煮沸裝置的麥芽汁煮沸鍋內、將煮沸鍋中的麥芽汁加熱煮沸的換熱器的麥芽汁數量增加以改善裝置內的麥芽汁與氣相之間的氣-液接觸程度。
權利要求1和權利要求2所述的本發明的特征如下所述對DMS連續發散過程的反應速率進行分析并獲得以揮發速率系數表示的煮沸步驟的DMS發散效率，由此可對煮沸裝置中的揮發物的分離和發散性能進行評估。
由以前的報道可知DMS在麥芽汁煮沸過程中的反應行為主要表現為由DMS的前體SMM生成DMS以及DMS向氣相中的發散〔例如J．Inst．Brew 88，P．244(1982)，Anness，B．J．and Bamforth，C．W．(1982)〕。
即在煮沸麥芽汁過程中不生成SMM且由DMS轉化得到的二甲基亞砜(DMSO)或類似產物數量很少。由此可得到以下連續步驟SMM→DMS→(發散進入氣相)(在氣相中的生成反應)。
連續步驟的反應速率與發散速率假定分別由以下方程來描述r1=k1[S]r2=k2([D]L-[D]G)其中r1為由SMM生成DMS的轉化速率(μmol／L·min)，r2為DMS的發散速率(μmol／L·min)，k1為反應速率系數(1／min)，k2為揮發速率系數(1／min)，[S]為液相中的SMM濃度(μmol／L)，[D]L為液相中的DMS濃度(μmol／L)，[D]G為氣相中的DMS濃度(μmol／L)。
氣相中的DMS濃度由計算氣相中的DMS分壓得到，表示為與DMS氣相分壓相應的液相DMS濃度。
在此假定下，SMM生成DMS的轉化反應僅依賴于液相的SMM濃度，反應速率方程可表示為一級反應。氣相與液相中的DMS濃度差是DMS發散速率的驅動力。由此可將SMM和DMS的減少速率重寫如下d[S]／dt=-k1[S] (1)d[D]L／dt=k1[S]-k2([D]L-[D]G)(2)方程(1)的解為[S]／[S]0=exp(-k1t) (3)其中[S]0為反應開始時液相中的SMM濃度(μmol／L)。
因此方程(2)變為d[D]L／dt=k1[S]0exp(-k1t)-k2[D]L+k2[D]G(4)由于氣相中的DMS通常總是被排出系統，DMS濃度極低、近似為系數；由此方程(4)可視為一階線性微分方程處理。其解為[D]L=exp(-∫k2dt)[∫{k1[s]cexp(-k1t)+k2[D]G}·exp(∫k2dt)dt+C](5)其中C為積分系數。
方程(5)的解為[D]L={k1／(k2-k1)}[S]0exp(-k1t)+[D]G+Cexp(-k2t) (5)＇
不言而喻，由于麥芽汁濃度或氣-液接觸效率在煮沸前后發生改變，因而揮發物的發散速率隨之改變。本發明關注的是煮沸過程中的麥芽汁。因此當麥芽汁達到沸點時的時刻被作為“0”時刻(t=0)。由此麥芽汁達到沸點時的SMM和DMS濃度分別表示如下[S]=[S]。L=[D]L。
將上述式子代入方程(5)＇計算出C值C=[D]L0-[{k1／(k2-k1)}[S]0+[D]G](6)將方程(6)代入方程(5)得到[D]L={k1／(k2-k1)}[S]0exp(-k1t)+[D]G+[[D]L0-(k1／(k2-kX)}[S]0-[D]G]exp(-k2t)(7)實際上，液相中的DMS濃度極低，在μmol／L量級。此外，如前所述由于氣相總是被排放掉，認為氣相中的DMS含量極低而不能成為氣-液傳遞阻力。
即方程(7)中[D]G_0．由此液相中的DMS濃度可由下述方程描述[D]L={k1／(k2-k1)}[S]0{exp(-k1t)-exp(-k2t)}+[D]L0exp(-k2t) (8)如上所述，由液相中的SMM和DMS濃度分別得到方程(3)和(8)。
由此，SMM濃度下降速率即由SMM轉化為DMS的生成速率可由方程(3)表示。由此將([S]／[S]0)的對數值對煮沸時間作圖，反應速率系數k1由計算通過該點的直線斜率的近似值得到。
進一步，DMS濃度的改變即由于自SMM生成以及揮發和吸入作用引起的DMS數量的減少可由方程(8)表示。式(8)中的[D]L、[D]L0和[S]0通過測量麥芽中的DMS和SMM含量得到，反應速率系數k1由實驗結果經上述方程(3)計算得到。但方程(8)是非線性的，因而揮發速率系數k1不能通過簡單代入方程(8)計算得到。但可通過采用數值解法如Runge-kutta方法得到近似解。
進一步，如上所述，權利要求3所述的本發明提供權利要求1所述的方法，其中在煮沸麥芽汁的同時進行惰性氣體鼓泡以改善麥芽汁煮沸裝置內的麥芽汁與氣相之間的氣-液接觸程度。權利要求4所述的本發明提供評估煮沸麥芽汁過程中待揮發發散物質的揮發效果的方法，其中在對啤酒或麥芽酒生產中麥芽汁制造步驟過程中通過煮沸麥芽汁有待從麥芽汁中揮發發散物質的揮發發散效果的評估中，麥芽汁在惰性氣體鼓泡的同時煮沸預定時間，將麥芽汁中的殘余待揮發發散物質的組成作為氣相色譜圖輸入神經網絡，該氣相色譜圖與事先輸入的、無惰性氣體鼓泡下煮沸過的麥芽汁中的殘余揮發物組成的氣相色譜圖進行比較并換算成無惰性氣體鼓泡下進行的煮沸時間輸出，這一煮沸時間相應于上述的煮沸時間，通過惰性氣體鼓泡提供的揮發物揮發效果由所得的煮沸時間長度來評估。
更進一步，權利要求5所述的本發明提供在啤酒或麥芽酒生產中麥芽汁制造步驟過程中所用的麥芽汁煮沸裝置，其特征在于它設有惰性氣體鼓泡裝置。
在權利要求3所述的本發明中，在啤酒或麥芽酒生產中麥芽汁制造步驟過程中在煮沸麥芽汁的同時進行惰性氣體鼓泡，由此加速麥芽汁的氣-液接觸并促進麥芽汁中的揮發物的揮發和分離。
在此所用的惰性氣體可以是氮氣、二氧化碳氣、氬氣、氦氣、氖氣及類似氣體。從這些氣體中選用合適的氣體。
在權利要求3所述的本發明中，由糖化醪經過濾得到的麥芽糖在有惰性氣體鼓泡下在麥芽汁煮沸鍋中與啤酒花一起煮沸。麥芽汁煮沸裝置形狀如下。
如圖8所示，用于麥芽汁12加熱和煮沸的換熱器14通常設在麥芽汁煮沸鍋11內或設在麥芽汁煮沸鍋11外(未示出)。麥芽汁在換熱器14的作用下以固定速率煮沸，由此通過揮發和發散除去對啤酒或類似產品的風味和口感不利的揮發物。對于換熱器14的型式，已知可采用內熱式或外熱式換熱器。
在權利要求3所述的本發明中，除換熱器14之外，在麥芽汁煮沸鍋11的任何位置安設惰性氣體注射部15(圖中安裝在麥芽汁煮沸鍋底部)。惰性氣體經注射部分散進入麥芽汁12以增加氣-液接觸面積并通過更有效的揮發和發散來促進對啤酒或類似產品的風味和口感不利的揮發物的脫除。
可在麥芽汁開始沸騰時或經一段預定時間后開始進行惰性氣體鼓泡，如在麥芽汁沸騰后30分鐘時進行惰性氣體鼓泡。
當對惰性氣體鼓泡下的麥芽汁煮沸過程中的揮發物揮發效果進行評估時，權利要求4所述的神經網絡方法用于權利要求3所述的本發明。
該評估方法如下所述。首先，采用氣相色譜方法測得按普通方式即無惰性氣體鼓泡下煮沸的麥芽汁中的殘余揮發物組成并表示為隨時間的變化圖。將此圖輸入神經網絡。
與此同時，采用上述氣相色譜測出根據權利要求3所述的本發明的在惰性氣體鼓泡下煮沸預定時間后的麥芽汁中的殘余揮發物組成。將所得色譜圖輸入神經網絡并采用神經網絡方法估計上述色譜圖與通過普通方式煮沸所得的色譜圖何時、何處最為相似。
將這樣計算出的相應于普通方法煮沸時間的時間輸出，并將這一時間與惰性氣體鼓泡下的實際煮沸時間相比較以對在惰性氣體鼓泡下揮發物的揮發效果進行評估。
麥芽汁中的殘余揮發物可由已知方法測量。在本發明中，最優選的方法為TCT-FID(熱脫附冷阱注射器-氫火焰電離檢測器)方法或EP-FID〔溶劑(乙醚-戊烷(2∶1))〕萃取-氫火焰離子化檢測器)方法。
下面來描述煮沸后的麥芽汁中的殘余揮發物組成的分析方法。分析樣品取自麥芽汁煮沸鍋的采樣口，立即由冰冷卻并在低溫(5℃)下密封保存。若采用TCT-FID方法進行分析，將7克氯化鈉和10μl內標溶液(2-庚酮30毫克／100毫升)加入25毫升麥芽汁樣品中。系統在40℃的恒溫水浴中采用氦在100毫升／分的流量下通氣15分鐘，揮發物吸附到TENAX冷阱管中。
其后將冷阱管安放在氣相色譜儀的樣品進料口處并升高溫度，由此使吸附的揮發物得以脫附并由樣品進料口進入色譜儀內。采用微極性的DB-5(由J&W提供)或類似物作為色譜柱。揮發物的吸附和脫附條件如下冷卻溫度100℃、初步冷卻時間3分鐘、脫附溫度250℃、脫附時間5分鐘、注射溫度200℃、注射時間3分鐘。
另一方面，在采用EP-FID方法進行分析時，將0．5毫升內標溶液(苯甲醇，100毫克／100毫升)，60克氯化鈉和150毫升萃取溶劑〔乙醚∶戊烷(2∶1)〕加入200毫升麥芽汁樣品中，振蕩下萃取30分鐘。之后在3，000rpm下離心分離10分鐘，在45℃的溫水浴中將作為溶劑的乙醚∶戊烷溶液加熱，濃縮該溶液將體積調節為200微升。取其中1微升作為樣品，經樣品注射口加入氣相色譜儀。采用極性DB-WAX(由J&W制造)作為色譜柱。揮發物的吸附和脫附條件同上所述。
在以上的任一分析方法中均采用氫火焰離子化檢測器(FID)檢測揮發物。
權利要求4所述的本發明中所采用的神經網絡為一種在計算機上模擬人類神經網絡的系統。經常采用的一種模型是將神經網絡的構成單元-神經元固定在多個層次上，在信息傳遞過程中輸出固定的推斷。
為獲得作為神經網絡的輸出的固定的推斷結果(在權利要求4所述的本發明中即推斷惰性氣體鼓泡下麥芽汁煮沸的預定時間是否相應于無惰性氣體鼓泡下的煮沸時間)，即使在與人類的研究相象的模型中也需要一個研究過程(在權利要求4所述的本發明中，研究過程通過將普通方法無惰性氣體鼓泡下的煮沸步驟以氣相色譜圖形式輸入計算機來進行)。
研究過程如下將采用普通方法煮沸過程中選定的所經歷的煮沸時間上的麥芽汁中的殘余揮發物組成以氣相色譜圖形式作為輸入值輸入神經網絡。“選定的所經歷的煮沸時間”由輸出層以輸出值形式得到。在充分進行研究過程后，將神經網絡能夠隨輸入數據得到輸出值的時間定義為模型收斂。本發明在惰性氣體鼓泡下的煮沸數據作為輸入值提供給該收斂模型并由計算得到相應于普通方法煮沸的輸出值。
有時將氣相色譜圖中除無重復性的峰或面積極小的峰外的峰作為神經網絡的輸入信號。
在權利要求4所述的本發明的神經網絡中采用BrainMaker v3．1(California SCientific Software)作程序，所用的計算機為IBM PC 750。
權利要求5所述的本發明的麥芽汁煮沸裝置的特征在于設有一惰性氣體鼓泡裝置。本煮沸裝置除設有惰性氣體鼓泡裝置外，其它與啤酒或麥芽酒生產中麥芽汁制造步驟過程中所用的常規麥芽汁煮沸裝置相同。可采用例如玻璃珠型鼓泡器作為惰性氣體鼓泡裝置。
參考以下實施例可更確切地描述本發明。但本發明并不局限于以下實施例。
實施例1在權利要求1所述的本發明方法中所用的煮沸裝置的一個結構實施例示于圖1。該煮沸裝置包括收集待煮沸麥芽汁的麥芽汁煮沸鍋1、設在煮沸鍋內將麥芽汁煮沸的加熱器(下文稱之為“換熱器2”)及將從換熱器2頂部暴沸的麥芽汁返回收集在麥芽汁煮沸鍋1中的麥芽汁的分布器4。換熱器2包括一錐頂2A和一柱體部分2B。如圖2所示，柱體部分2B在結構上設有多個加熱管3。熱水、高溫蒸汽或高溫加熱介質繞加熱管3流動將裝在煮沸裝置內的麥芽汁加熱到沸點。達到沸點的麥芽汁由加熱管3暴沸并在煮沸裝置內順序流經煮沸鍋內部→換熱器(加熱管)→分布器→麥芽汁液面→煮沸鍋底部循環。換熱器2的柱體部分外徑為430毫米、加熱管長1，280毫米，加熱管內徑為34．5毫米，加熱管數為20，加熱管的總加熱面積為2．77平方毫米。
在麥芽汁裝入煮沸裝置的麥芽汁煮沸鍋后開始加熱，供熱速率維持在210兆卡／小時直至開始沸騰。麥芽汁開始沸騰后，在三級供熱速率條件即280兆卡／小時、210兆卡／小時及120兆卡／小時進行煮沸。
收集麥芽汁溫度升高前、達到沸點前10分鐘、達到沸點時、達到沸點后5分鐘和達到沸點后15分鐘的樣品并測定SMM和DMS濃度。
初始煮沸時刻為0小時時的SMM濃度變化及DMS濃度變化示于圖3(a)、3(b)和3(c)。圖3(a)、3(b)、3(c)分別表示三級供熱速率條件即280兆卡／小時、210兆卡／小時和120兆卡／小時下的結果。
SMM生成DMS的轉化反應速率系數k1由麥芽汁達到沸點前10分鐘開始的4個時刻基于采用方程(3)所得的SMM濃度獲得。即用(〔S〕／〔S0〕)的對數值作圖，通過采用最小二乘法線性近似計算經過該點的直線斜率。
由此得到的轉化反應速率系數k1示于表1(I型裝置)。
此后由所得的轉化反應速率系數k1和測得的麥芽汁的DMS濃度采用一種數值解法即Runge-kutta法得到揮發速率系數k2。
由此得到的揮發速率系數k2的近似解示于圖2(I型裝置)。將近似解代入方程(8)算出的DMS值與煮沸后麥芽汁中的DMS測量值所做的比較如圖4所示。圖4(a)、4(b)、4(c)分別表示三級供熱速率條件即280兆卡／小時、210兆卡／小時和120兆卡／小時下的結果。兩種結果彼此符合得很好，表明采用方程(8)的數值解法所得的近似解是合理的。
實施例2重復實施例1，但采用下述的II型煮沸裝置代替I型煮沸裝置。
本實施例的II型煮沸裝置與實施例1的I型煮沸裝置之間的差別在于換熱器2的類型不同。換熱器2的不同之處如下加熱管長為804毫米，加熱管內徑為44．8毫米，加熱管數為24，加熱管的總加熱面積為2．72平方毫米。相較于實施例1，實施例2采用粗而短的加熱段。
II型煮沸裝置中SMM濃度變化與DMS濃度變化的測量值示于圖5(a)、5(b)和5(c)。由此得到的轉化反應速率系數k1示于表1(II型裝置)。此外，如實施例1所述得到揮發速率系數k2，結果示于表2(II型裝置)。DMS濃度的計算值與測量值之間的比較示于圖6。圖6(a)、6(b)、6(c)分別表示三級供熱速率條件即280兆卡／小時、210兆卡／小時和120兆卡／小時下的結果。與實施例1相同，兩種結果非常接近。表1
表2
將表1和表2的結果以圖形表示并比較由SMM生成DMS的反應速率系數(k1)和DMS的揮發速率系數(k2)與麥芽汁煮沸鍋型式和供熱速率之間的關系，比較結果示于圖7。
如上所述，在麥芽汁煮沸過程中DMS的反應行為主要表現為由SMM生成DMS及DMS向氣相中的發散。將反應速率方程由SMM生成DMS的反應速率系數(k1)和DMS發散的揮發速率系數(k2)來表示。將所測得的麥芽汁中的殘余DMS濃度代入反應速率方程獲得各個系數值。測量時將速率系數與煮沸裝置供熱速率〔(麥芽汁達到沸點時的)初始沸騰后的供熱速率〕的變化(三級)及煮沸裝置型式的差異進行對比。
SMM生成DMS的反應速率系數(k1)幾乎不受麥芽汁煮沸鍋的型式及供熱速率變化的影響。這估計可能是由于轉化反應速率僅依賴于溫度(由于當供熱速率大于預定供熱速率時麥芽汁的溫度維持在沸點)，表明反應速率系數(k1)不隨供熱速率和煮沸裝置型式而改變。
另一方面，II型煮沸裝置中的DMS揮發速率系數(k2)高于I型煮沸裝置中的DMS揮發速率系數(k2)且隨供熱速率的增加而增加。因此，該系數顯然依賴于麥芽汁煮沸鍋的型式和供熱速率。這支持上述的預想即(k2)值上升的越高，煮沸裝置中的揮發物發散速率越大。
即使在相同的供熱速率條件下，II型煮沸裝置中的揮發速率系數k2也高于I型煮沸裝置的揮發速率系數。即II型煮沸裝置中的揮發物發散系數較高，這可能是由于加熱管數較多而管長較短使得單位時間內由換熱器2注入的麥芽汁量增加并使麥芽汁煮沸鍋1內的氣相更頻繁地與麥芽汁接觸。
麥芽汁中的水分在加熱管供熱下揮發為蒸汽使體積增大，由此將麥芽汁噴射送出加熱器。這種噴射物流對促進麥芽汁的流動混合很重要。由此，簡單縮短加熱管的長度并不是必需的，而是要求加熱管具有一定程度的熱交換性能以使麥芽汁噴射物流保持在固定水平。
II型煮沸裝置具有良好的DMS發散效率，這可能是由于即使在相同的供熱速率下它也比I型煮沸裝置達到更大程度的氣-液接觸。
由以上分析結果得到煮沸裝置中的揮發速率系數并通過與能夠評估煮沸裝置中的分離和發散性能的結果比較研究得到其絕對值。
因此，根據權利要求1和權利要求2所述的本發明有可能采用“揮發速率系數”相對評估(通過比較評估優越性或不足)煮沸裝置本身是否適于涉及煮沸裝置的煮沸控制方法、煮沸裝置結構等的揮發物的分離和發散。
實施例3在中試規模采用普通啤酒釀造方法生產啤酒。在其中的麥芽汁制造步驟，采用圖9所示的中試麥芽汁煮沸鍋11將過濾得到的麥芽汁與啤酒花一起煮沸。
麥芽汁煮沸鍋11底部中心處設有用于煮沸麥芽汁12的內加熱器14，加熱器14與麥芽汁12接觸的表面形如鐘形。向裝置中引入蒸汽加熱麥芽汁12隨后使麥芽汁沸騰。在本實施例的麥芽汁煮沸鍋11中，在鐘形加熱器14的頂部設置了對煮沸鍋中的麥芽汁進行攪拌的攪拌槳。攪拌槳持續攪動直至過濾得到的麥芽汁12被加熱并達到沸點，攪拌槳在煮沸開始時停止。
采用玻璃球型噴射器(kinoshita型玻璃球506G、直徑40毫米，玻璃珠粒徑為40-50微米)將惰性氣體鼓泡通過麥芽汁。惰性氣體(氮氣)經噴射管自煮沸鍋外部加入煮沸鍋內的麥芽汁中。這有助于氮氣在煮沸鍋中的有效分散。
在麥芽汁開始沸騰后立即進行氮氣鼓泡并持續鼓泡90分鐘。氮氣鼓泡條件為在0．20kg／cm2G、15升／分下鼓泡30分鐘；在0．15kg／cm2G、10升／分下鼓泡60分鐘。
分析用麥芽汁樣品是在麥芽汁沸騰后立即通入氣體鼓泡不久從取樣口得到，此外每30分鐘取一次樣。樣品取出后立即冷卻，之后密封并在5℃下保存。
采用TCT-FID及EP-FID方法對取得的樣品進行分析。
在TCT-FID方法中，將7克氯化鈉和10μl內標溶液(2-庚酮，30毫克／100毫升)加入25毫升麥芽汁樣品中，將其在40℃的恒溫水浴中放置15分鐘。揮發物吸附到采用氦作流動相(氦流量100毫升／分)的TENAX冷阱管中。之后將冷阱管安放在氣相色譜儀的樣品進料口并升高溫度，由此使吸附在冷阱管中的揮發物得以脫附并由樣品進料口進入色譜儀內。收集和脫附條件如下冷卻溫度-100℃、初步冷卻時間3分鐘、脫附溫度250℃、脫附時間5分鐘、注射溫度200℃、注射時間3分鐘。此外，采用DB-5(由J&W制造，0．53mm×30m，膜厚5mm)作色譜柱在50℃下加熱1分鐘。之后采用5℃／分的升溫速率加熱到250℃，反應產物在此溫度下保持5分鐘。檢測器的溫度為270℃。
與此同時，在EP-FID方法中，將0．5毫升內標溶液(苯甲醇，100毫克／100毫升)、60克氯化鈉和150毫升萃取溶劑(乙醚∶戊烷(2∶1))加入200毫升樣品中，混合物振蕩下萃取30分鐘。之后，經離心分離(3，000rpm，10分鐘)得到的溶劑相在45℃的溫水浴中加熱濃縮，將溶液調節到200微升。取其中1微升作為樣品加入氣相色譜儀。
采用DB-WAX(由J&W制造，0．53mm×30m，膜厚0．25μm)作色譜柱在50℃下加熱1分鐘。之后采用5℃／分的升溫速率將溫度提高到250℃，反應產物在此溫度下保持10分鐘。進一步采用10℃／分的升溫速率升溫到260℃并將反應產物在此溫度下保持10分鐘。注射口溫度為220℃，檢測器溫度為270℃。
將以上分析方法得到的氣相色譜圖分別輸入神經網絡并與事先輸入供操作的采用普通方法即不采用氮氣鼓泡下煮沸的麥芽汁中殘余揮發物的組成的氣相色譜圖進行比較并操作。結果以相應于氮氣鼓泡下的煮沸時間的普通方法煮沸時間來表示。氮氣鼓泡下揮發物的揮發效果由所得煮沸時間長短來評估。
結果發現，對于TCT-FID方法所檢測到的揮發物而言，氮氣鼓泡下開始沸騰后30分鐘相當于普通方法煮沸近60分鐘，而氮氣鼓泡下煮沸60分鐘相當于普通方法煮沸近90分鐘。另外，對于EP-FID方法所檢測到的揮發物而言，氮氣鼓泡下煮沸30分鐘相當于普通方法煮沸近40分鐘。
實施例4通過改變實施例3所述的麥芽汁制造步驟的麥芽汁煮沸條件，在麥芽汁開始沸騰后30分鐘開始進行氮氣鼓泡，鼓泡60分鐘。氣體鼓泡條件為0．12kg／cm2G，6升／分，鼓泡60分鐘。收集麥芽汁開始沸騰后30分鐘開始進行氣體鼓泡后的樣品。其它條件與實施例3相同。
結果發現，對于TCT-FID方法所檢測到的揮發物而言，在麥芽汁開始沸騰后30分鐘開始進行氮氣鼓泡后立即取出的樣品表明煮沸量高于普通方法煮沸30分鐘的煮沸量，而在氮氣開始鼓泡后30分鐘取出的樣品表明其煮沸量相當于普通方法煮沸近60分鐘的煮沸量。此外，對于EP-FID方法檢測到的揮發物而言，發現氮氣鼓泡下煮沸30分鐘相當于普通方法煮沸近40分鐘。
由上述結果發現，在煮沸麥芽汁的過程中采用惰性氣體如氮氣鼓泡可期望由此促進液相與氣相之間的接觸并加快揮發物自麥芽汁中的揮發和分離。
因此，根據權利要求3和權利要求4所述的本發明，通過采用惰性氣體鼓泡下的煮沸過程能夠使能耗降低到維持麥芽汁熱反應要求的沸點溫度所需的供熱量。
權利要求1所述的本發明能夠提高用于啤酒或麥芽酒生產的麥芽汁煮沸裝置中的分離和發散效率。
特別是如權利要求2所述，使鼓泡通過設在麥芽汁煮沸裝置的麥芽汁煮沸鍋內、用于將麥芽汁煮沸鍋內的麥芽汁加熱煮沸的換熱器的麥芽汁量增加而使麥芽汁的氣-液接觸程度提高并增加煮沸過程中的麥芽汁中待揮發的揮發物的揮發發散效率。
根據權利要求1和權利要求2所述的本發明的麥芽汁煮沸方法，能夠更有效地將不利于產品風味和口感的揮發物揮發掉。
進一步，根據權利要求3和權利要求4的本發明，在啤酒或麥芽酒生產中麥芽汁制造步驟過程中在惰性氣體鼓泡下進行麥芽汁煮沸，這使得縮短麥芽汁煮沸時間及隨后的在不改變麥芽汁煮沸溫度下降低供熱量成為可能。
如上所述，由于通過采用本發明的麥芽汁煮沸方法能夠提高不利于風味和口感的揮發物的發散能力，這使得降低麥芽汁煮沸過程所需的熱能并制得口感更好的啤酒或麥芽酒成為可能。
權利要求
1．啤酒或麥芽酒生產中麥芽汁制造步驟過程中進行的煮沸麥芽汁的方法，其特征在于改善麥芽汁煮沸裝置中的麥芽汁與氣相之間的接觸程度以提高煮沸麥芽汁時麥芽汁中的待揮發和發散物質的揮發和發散效率并降低煮沸麥芽汁時的熱能需要。
2．權利要求1所述的麥芽汁煮沸方法，其中將流經設在麥芽汁煮沸裝置的麥芽汁煮沸鍋內、將煮沸鍋中的麥芽汁加熱煮沸的換熱器的麥芽汁數量增加而改善裝置內的麥芽汁與氣相之間的氣-液接觸程度。
3．權利要求1所述的麥芽汁煮沸方法，其中在麥芽汁煮沸的同時進行惰性氣體鼓泡以改善麥芽汁煮沸裝置內的麥芽汁與氣相之間的氣-液接觸程度。
4．評估煮沸麥芽汁過程中待揮發和發散物質的揮發效果的方法，其中對啤酒或麥芽酒生產中麥芽汁制造步驟過程中通過煮沸麥芽汁有待從麥芽汁中揮發發散物質的揮發發散效果的評估中，將麥芽汁在惰性氣體鼓泡的同時煮沸預定時間，將麥芽汁中的殘余待揮發發散物質的組成作為氣相色譜圖輸入神經網絡，將該氣相色譜圖與事先輸入的、無惰性氣體鼓泡下煮沸過的麥芽汁中的殘余揮發物組成的氣相色譜圖進行比較并換算成無惰性氣體鼓泡下進行的煮沸時間輸出，這一煮沸時間相應于上述的煮沸時間，通過惰性氣體鼓泡提供的揮發物揮發效果由所得的煮沸時間長度來評估。
5．在啤酒或麥芽酒生產中麥芽汁制造步驟過程中使用的麥芽汁煮沸裝置，其特征在于它設有惰性氣體鼓泡裝置。
全文摘要
本發明目的在于提供能夠改善用于生產啤酒或麥芽酒的麥芽汁煮沸裝置的分離及發散效率的麥芽汁煮沸方法。本發明提供在啤酒或麥芽酒生產中麥芽汁制造步驟過程中進行的麥芽汁煮沸方法,其特征在于麥芽汁煮沸裝置內的麥芽汁與氣相之間的氣－液接觸程度得以改善而提高了麥芽汁煮沸時待揮發和發散的物質從麥芽汁中的揮發和發散效率并降低了麥芽汁煮沸時所需的熱能。
文檔編號C12C7/22GK1205031SQ97191385
公開日1999年1月13日 申請日期1997年10月6日 優先權日1997年10月6日
發明者三谷優, 鈴木英和, 大利幸, 小林實, 栗原利夫, 秋山普史, 石田文人 申請人:札幌啤酒株式會社