Анализ эффективности способов активации древесины плодовых культур для производства выдержанных дистиллятов

Введение. Длительная выдержка в контакте с дубовой древесиной ( Quercus spp .) традиционно определяет органолептический профиль бренди и схожих дистиллятов: в ходе этого процесса происходит экстракция фенольных соединений, лигнина, танинов и лактонов, формирующих специфические цвет, вкус и аромат напитка [2]. Вместе с тем рост цен на импортную дубовую клепку, ограниченность отечественной ресурсной базы и нестабильность поставок создают прямые предпосылки для научного обоснования применения локальных, возобновляемых видов сырья [3].

Перспективными кандидатами служат плодовые породы – яблоня ( Malus domestica ), вишня ( Prunus avium ) и груша ( Pyrus communis ), образующие значительный объем отходов при ежегодной санитарной обрезке садов. По имеющимся данным, древесина вишни отличается высоким содержанием бензальдегида, эвгенола и метилсирингата [4, 5], а яблоневая древесина богата предшественниками ванилина [6]. Тем не менее систематизированные сведения о влиянии способов активации на экстракционный потенциал этих пород в литературе отсутствуют, тогда как технология подготовки дубовой древесины хорошо изучена.

При термической обработке древесины деградация лигнина приводит к образованию фенольных альдегидов – ванилина, сиреневого и синапового – и летучих фенолов (гваякола, эвгенола); пиролиз гемицеллюлоз приводит к образованию фурановых соединений [7]. Применение влажного обжига взамен сухого вызывает «паровой взрыв», увеличивающий пористость матрицы и доступность экстрактивных веществ [8]. Ферментативная обработка целлю-лазно-ксиланазными препаратами представляет более мягкий и селективный вариант, обеспечивающий частичный гидролиз клеточной стенки без термодеструкции [9, 10]. Согласно данным для дуба, последовательное сочетание ферментативного и термического воздействия способно давать благоприятный синергетический эффект [11].

Между тем комплексного сравнительного исследования всех перечисленных подходов применительно к плодовым породам до настоящего времени не проводилось. Различия в плотности и химическом составе яблони, вишни и груши исключают прямую экстраполяцию данных, полученных для дуба [5].

Цель исследования – провестисравнитель-ный анализ эффективности различных способов активации древесины плодовых культур и дуба (контроль) по критериям кинетики экстракции и накопления целевых сенсорно значимых соединений (полифенольных и ароматобразующих веществ) в модельном дистилляте.

Задачи: исследовать способы активации древесины плодовых культур: сухой и влажный обжиг, ферментативная и комбинированная активация; изучить эффективность приведенных способов активации древесины плодовых культур в сравнении с древесиной дуба по накоплению полифенольных и ароматобразующих веществ; проанализировать эффективность приведенных способов активации древесины плодовых культур в сравнении с древесиной дуба по критериям кинетики экстракции ванилина как одного из главных маркеров выдержки дистиллятов в контакте с древесиной дуба.

Объекты и методы. Объекты исследования – чипсы издревесины четырех пород: яблони домашней ( Malus domestica Borkh., сорт Алтайское зимнее), вишни обыкновенной ( Prunus avium L., сорт Ранняя степная), груши обыкновенной ( Pyrus communis L., сорт Перун) и дуба череш-чатого ( Quercus robur L., французского происхождения; использован как контроль). Материал плодовых пород получали из ветвей диаметром 5–10 см, отобранных при весенней санитарной обрезке садов Алтайского края. Ветви очищали от коры и сучьев, измельчали до чипсов 10×10×2 мм (площадь поверхности (450 ± 25) см²/г [12]) и высушивали в камерной сушилке до остаточной влажности (12,0 ± 0,5) % (ГОСТ 16483.7-71). Внешний вид древесных чипсов представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Внешний вид объектов исследования:

А – древесина дуба; Б – древесина яблони; В – древесина вишни; Г – древесина груши Appearance of the research objects:

A – Oak wood; Б – Apple wood; В – Cherry wood; Г – Pear wood

В качестве модельного дистиллята использовали этиловый ректификованный спирт высшей очистки (ГОСТ 5962-2013), разбавленный умягченной водой до ((50,0 ± 0,1) % об. Данная концентрация этанола обеспечивает оптимальный баланс полярности растворителя для совместной экстракции гидрофильных (фенольные кислоты, танины) и липофильных (лактоны, альдегиды) соединений [13].

Исследовали четыре способа активации:

• 1.    Сухой обжиг: чипсы с исходной влажностью 12 % нагревали в муфельной печи

• 2.    Влажный обжиг: чипсы выдерживали в дистиллированной воде 24 ч до влажности (45 ± 5) %, после чего обжигали при тех же режимах. Протокол воспроизводит механизм «парового взрыва» [8, 15].

• 3.    Ферментативная активация: чипсы обрабатывали комплексным препаратом «Целлолюкс® МАКС» (ксиланазная активность ≥ 4000 ед/мл, β-глюканазная ≥ 3000 ед/мл, целлюлолитиче-

  ская ≥ 1700 ед/мл) в 0,1 М ацетатном буфере pH 5,0 при гидромодуле 1 : 10, температуре 50 °С, продолжительности 24 ч [10, 11]; препарат выбран по результатам предварительного скрининга как наиболее эффективный.

• 4.    Комбинированная активация: ферментативная обработка (способ 3) с последующим влажным обжигом (способ 2).

«ТермиКС СНОЛ-1,6.2,5.1/10-ИЗМ» в атмосфере CO 2 : для дуба, яблони и груши – 200 °С, 40 мин; для вишни – 160 °С, 50 мин [4, 14].

Контрольными образцами служила необработанная древесина каждой породы.

Статическую экстракцию проводили в емкостях из темного стекла объемом 1 дм3: (10,0 ± 0,1) г чипсов заливали 500 мл модельного дистиллята, герметизировали и выдерживали при (35,0 ± 0,5) °С в течение 30 сут [16]. Пробы отбирали на 1-, 3-, 7-, 14-, 21- и 30-е сут; все варианты – в трех повторностях.

В процессе выдержки исследовали соединения, формирующие специфические сенсорные характеристики выдержанных дистиллятов:

– сумму полифенольных соединений определяли спектрофотометрически (Shimadzu UV 1800, Япония) с реактивом Фолина – Чокальтеу; калибровочную кривую строили по галловой кислоте (0–500 мг/л), результаты выражали в мг GAE/л [17].

– индивидуальные ароматобразующие соединения (ванилин, гваякол, эвгенол, бензальдегид, фурфурол) разделяли методом ВЭЖХ на хроматографе Agilent 1260 InfinityII (колонка C18, 150×4,6 мм, 5 мкм; градиентная элюция ацето-нитрил/0,1 % H 3 PO 4 ; детектирование при 280 и 254 нм с количественным расчетом методом абсолютной калибровки [4, 5, 14].

Редуцирующие сахара в гидролизатах после ферментативной обработки определяли колориметрически с 3,5-динитросалициловой кислотой [18].

Микроструктуру поверхности чипсов исследовали методом сканирующей электронной микроскопии на микроскопе JSM-6380 LA (JEOL, Япония) при ускоряющем напряжении 20 кВ (режим вторичных электронов); образцы напыляли золотом (15–20 нм). Морфометрические параметры (пористость, плотность микротрещин) измеряли в программе ImageJ.

Кинетику экстракции описывали моделью диффузионно-лимитированного процесса первого порядка:

C(t) = C„ • (1 - e'-*"’), где Ceq– равновесная концентрация, мг/л или мг/100 мл; k– константа скорости экстракции, сут–1.

Параметры модели определяли нелинейной регрессией; время достижения 90 % экстракции рассчитывали по формуле

Статистическую обработку выполняли в Statistica 10.0: ANOVA с последующим тестом Тьюки; значимость различий – при p < 0,05.

Результаты и их обсуждение. Установлено, что накопление суммарных фенолов за 30 сут экстракции достоверно различалось как между культурами, так и между способами активации (рис. 2, p < 0,001). Среди нативных образцов наибольшее содержание фенолов установлено в образце, выдержанном с использованием древесины дуба (205 мг GAE/л) – закономерный результат с учетом высокой концентрации гидролизуемых танинов в этой породе [2]. Вишня уступила незначительно (173 мг GAE/л), подтверждая данные о богатом фенольном профиле ее древесины [5]. Яблоня и груша показали заметно более низкие значения – 89 и 72 мг GAE/л соответственно, что объясняется меньшим содержанием гидролизуемых танинов.

Сухой обжиг существенно увеличил содержание фенолов во всех вариантах: дуб – 408 мг GAE/л (прирост – 1,99 раза к исходной древесине), вишня – 325 мг GAE/л (прирост 1,88 раза), яблоня – 274 мг GAE/л (прирост 3,08 раза), груша – 263 мг GAE/л (прирост – 3,65 раза). Более высокий относительный прирост для яблони и груши свидетельствует о значительном потенциале этих пород к накоплению фенольных соединений при термической обработке – по всей видимости, благодаря особенностям структуры лигнина и легкодоступным предшественникам.

Рис. 2. Динамика накопления суммы фенольных веществ в зависимости от вида древесины и способа активации Dynamics of Total Phenolic Compound Accumulation Depending on Wood Type and Activation Method

В условиях влажного обжига сумма полифе-нольных соединений несколько выше относительно сухого обжига: дуб – увеличение с 408 до 438 мг GAE/л (+7,4 %), вишня – с 325 до 357 мг GAE/л (+9,8 %), яблоня – с 274 до 316 мг GAE/л (+15,3 %), груша – с 263 до 298 мг GAE/л (+13,3 %). Наиболее выраженный эффект у яблони и груши согласуется с их более рыхлой структурой, в большей степени подверженной паровому крекингу [8]. СЭМ-анализ (рис. 3) под- твердил: влажный обжиг увеличивает плотность микротрещин на 46–77 % и их среднюю ширину на 28–105 %; максимальный рост пористости зафиксирован для яблони (+51,9 %) и груши (+48,5 %), что хорошо коррелирует с приростом содержания фенолов.

На рисунке 4 представлен предполагаемый физико-химический механизм трансформации древесины при влажном обжиге.

а

б

Рис. 3. Микрофотографии поверхности чипсов яблони (×1000): а – нативная древесина; б – сухой обжиг; в – влажный обжиг Microphotographs of apple wood chip surface (×1000): a – native wood; b – dry roasting; c – wet roasting

в

Фаза 3: Формирование каналов массопереноса пар расширяет поры, что создает сеть микротрещин вдоль и поперек волокон

Фаза 1: Насыщение водой и закипание при замачивании вода заполняет капилляры и микропоры, а последующий нагрев до 160200 °C вызывает резкое парообразование

Фаза 4: Трансформированная структура сформирована система микротрещин и пор, обеспечивающая эффективную экстракцию

IM-arc

Средмиим пластики

Фаза 2: Внутренний разрыв структуры локальное давление, создаваемое паром разрывает клеточные стенки древесины в наиболее слабых местах (срединные пластинки)

Рис. 4. Визуализация механизма парового взрыва и его влияние на микроструктуру древесины (составлено авторами) Visualization of the steam explosion mechanism and its effect on the wood microstructure (compiled by the authors)

В ходе исследования доказано преимущество использования комплексного препарата «Целлолюкс® МАКС» по нескольким критериям, а именно: после обработки опытных образцов древесины в течение 24 ч потеря массы составила у яблони – 7,2 %, груши – 6,1 %, вишни – 5,4 %. При этом количество редуцирующих сахаров в гидролизатах сопоставимо с потерей массы (R2 = 0,94) и достигало, мг/г: яблоня – 19,8, груша – 17,6, вишня – 15,3. Методом полного факторного эксперимента 33 (R2 – 0,90– 0,95, p < 0,0001) проведена оптимизация параметров и определены их значения: концентрация ферментного препарата «Целлолюкс® МАКС» 1,3–1,4 %, продолжительность обработки 26–28 ч при Т = 50–51 °С, значение pH 5,0.

Установлено, что в ходе ферментативной активации (способ 3) с последующей спиртовой экстракцией в течение 30 сут содержание фенольных веществ меньше, чем в образцах дистиллятов, полученных сухим (способ 1) и влажным (способ 2) обжигом. При оптимальных параметрах обработки последующая спиртовая экстракция дает 250 мг GAE/л для яблони, 336 мг GAE/л для вишни и 238 мг GAE/л для груши – на 35–57 % выше, чем у нативной древесины. Таким образом, ферментативная обработка древесины должна рассматриваться как эффективный метод интенсификации процесса выдержки, предшествующий обжигу древесины. Эффект откомбинированной активации древесины можно описать следующим механизмом:

• 1)    на первом этапе подготовки древесины ферменты частично гидролизуют гемицеллюлозы и аморфные области целлюлозы, увеличивая пористость и доступность внутренних структур древесины; частичное разрушение клеточных стенок ферментами создает дополнительные пути для диффузии экстрактивных веществ при последующей экстракции, а высвобождаемые пентозы при обжиге трансформируются в фурфурол;

• 2)    увеличение пористости способствует доступу тепла при последующем обжиге к более глубоким слоям древесины, что интенсифицирует пиролиз лигнина и способствует образованию фенольных альдегидов.

Для всех образцов была отмечена трехфазовая кинетика накопления фенольных веществ (рис. 5).

Рис. 5. Кинетика накопления суммы фенольных веществ в зависимости от длительности экстракции (на примере способа 1) Kinetics of total phenolic compounds accumulation as a function of extraction time (exemplified by method 1)

На первой фазе (фаза интенсивной экстракции в первые 7 сут) происходило быстрое накопление фенольных соединений (извлечение фенольных веществ составляло от 55 до 65 % от равновесной концентрации в зависимости от вида древесины). На второй фазе (диффузионный режим экстракции, 7–15-е сут) происходило снижение скорости экстракции, что, вероятно, обусловлено извлечением фенольных соединений из глубинных слоев древесины, где массоперенос лимитируется диффузионны-

Таблица 1

Содержание ароматических соединений после различных вариантов обработки, мг/100 мл Content of aromatic compounds after various processing options, mg/100 ml

Порода / Соединение	Термическая активация (влажный обжиг)	Комбинированная активация	Прирост, %
Дуб – Ванилин	11,82	13,24	+12,0
Дуб – Гваякол	14,23	15,82	+11,2
Вишня – Бензальдегид	4,85	5,48	+13,8
Вишня – Эвгенол*	10,25	11,68	+14,0
Яблоня – Ванилин	7,67	8,86	+15,5
Яблоня – Гваякол	5,32	6,12	+15,0
Груша – Ванилин	6,71	7,68	+14,5
Груша – Гваякол	4,56	5,20	+14,0

* Повышенное содержание эвгенола в вишневых образцах обусловлено преобладанием сирин-гильных субъединиц в лигнине этой породы [20].

Из приведенных данных видно, что прирост относительно сухого обжига составил: по ванилину – для дуба – 12,0 %, вишни – 13,8 %, яблони – 15,5 %, груши – 14,5 %; по гваяколу – 11– 15 %, по фурфуролу – 13–17 %. Объяснение наблюдаемого синергизма, по всей видимости, объясняется структурными изменениями мат- ми процессами на границе пористой структуры древесины. Начиная с 15-х сут экстракции система приближалась к равновесию (фаза выхода на плато), а прирост концентрации фенолов за вторую половину эксперимента не превышал 10–15 % от конечных значений.

Среди четырех исследованных вариантов наибольший выход ароматических соединений зафиксирован при комбинированной активации (табл. 1).

рицы: ферментативный гидролиз гемицеллюлоз и аморфных областей целлюлозы разрыхляет клеточную стенку древесины, в результате чего тепло при обжиге проникает глубже, пиролиз лигнина протекает интенсивнее, а из высвободившихся пентоз образуется дополнительное количество фурфурола [19].

Для количественной оценки кинетики экстракции ванилина (одного из главных маркеров выдержки дистиллятов в контакте с древесиной дуба) была использована кинетическая модель первого порядка. В эксперименте установлено, что кинетика накопления ванилина в целом подчиняется трехфазовой модели, описанной для фенольных соединений. Так, в первые 7 сут экстракции извлекается до 70 % ванилина от его равновесной концентрации к 30-м сут эксперимента. При этом наибольшая скорость накопления ванилина в дистиллятах отмечена для древесины дуба и яблони, а наиболее эффективным способом подготовки древесины отмечена комбинированная активация. Обработка экспериментальных значений методом нелинейной регрессии позволила рассчитать константы скорости процесса (табл. 2).

Таблица 2

Кинетические параметры экстракции ванилина при различных способах активации Kinetic parameters of vanillin extraction under various activation methods

Способ активации	Древесина	C eq , мг/100 мл	k ∙ 10–3, сут–1	t 90 , сут
Сухой обжиг	Дуб	10,45	0,163	19,3
Влажный обжиг	Дуб	11,82	0,172	18,3
Комбинированная	Дуб	13,24	0,185	17,0
Сухой обжиг	Яблоня	7,67	0,214	14,7
Влажный обжиг	Яблоня	9,45	0,238	13,2
Комбинированная	Яблоня	8,86	0,252	12,5

Так, для древесины яблони при комбинированной активации константа скорости реакции k достигает значения 0,252 ∙ 10^–3 сут^–1, что на 6 % выше, чем для влажного обжига и на 18 % выше, чем для сухого обжига. На основании анализа данных таблицы 2 можно сделать вывод, что увеличение константы скорости реакции первого порядка k приводит к сокращению продолжительности экстракции. При этом время, необходимое для достижения 90 % от равновесной концентрации по окончании эксперимента для образцов, выдержанных в контакте с древесиной яблони, составило 14,7; 13,2 и 12,5 сут (для сухого, влажного обжига и комбинированной активации соответственно). Аналогично, для образцов, выдержанных в контакте с древесиной дуба, продолжительность экстракции составила 19,3; 18,3 и 17,0 сут соответственно. Схожие тенденции были отмечены для образцов, выдержанных в контакте с древесиной вишни и груши. Таким образом, можно сделать вывод о высокой универсальности комбинированной активации древесины плодовых культур при ее подготовке к выдержке дистиллятов.

Результаты органолептического оценивания показали, что использование влажного обжига древесины дуба позволяет формировать в дистиллятах классический ароматический профиль. Накапливающиеся в процессе выдержки вани- лин и гваякол создают сложный букет, основу которого составляют ванильные и дымные ноты. Вследствие применения комбинированной активации древесины абсолютные концентрации данных маркеров аромата достоверно увеличиваются (p > 0,05), что сопровождается формированием более долгого ванильного тона с глубокими дымными нотами. Как показали проведенные исследования, древесина вишни при выдержке способствует формированию в дистиллятах совершенно иного ароматического профиля, обусловленного присутствием бензальдегида (видовой маркер древесины) и эвгенола. При этом формируемый при использовании влажного обжига древесины вишни узнаваемый миндальный тон с нотами гвоздики при использовании комбинированной активации усиливается за счет миндально-вишневой составляющей, а развитые ноты гвоздики дополнительно усиливают букет напитка. Образцы дистиллятов, выдержанные в контакте с древесиной яблони и груши, при использовании влажного обжига характеризовались умеренным накоплением ванилина и гваякола, что привело к получению напитков с мягкими ванильными и дымными оттенками. Однако увеличение содержания ванилина и гваякола в этих образцах при комбинированной активации древесины привело к формированию сложных нот, харак- терных для напитков типа кальвадос. При этом в образцах отмечается высокое содержание фурфурола (8,23 мг/100 мл для яблони и 6,35 мг/100 мл для груши при комбинированной активации) при относительно низком уровне ванилина и гваякола. Такое соотношение компонентов обуславливает появление выраженной ноты жженого сахара. Результаты корреляционного анализа подтверждают сильную связь между химическими маркерами и органолептической оценкой: коэффициенты Пирсона для пар «вещество – дескриптор» достигают 0,94– 0,96, что позволит прогнозировать органолептический профиль напитка по данным химического анализа, сокращая количество производственных дегустаций.

Заключение. Из четырех исследованных способов активации комбинированная обработка – ферментативная препаратом «Целлолюкс® МАКС» с последующим влажным обжигом предпочтительнее остальных вариантов. Экспериментально подтвержденный прирост выхода ароматических соединений составляет 11–17 % от уровня термической активации (сухой и влажный обжиг): в частности в модельных дистиллятах, настоянных на древесине яблони, груши и вишни, содержание ванилина возросло до 15,5 %, гваякола – до 15, фурфурола – до 17 %. Установлено, что суммарное накопление полифенольных соединений за 30 сут экстракции достоверно различалось как между культурами, так и между способами активации, а именно: в условиях влажного обжига экстрак- ция данных соединений несколько выше относительно сухого обжига: в контроле (дуб) – увеличение на 7,4 %, вишня – на 9,8, яблоня – на 15,3, груша – на 13,3 %. Это можно объяснить особенностями микроструктуры древесины: влажный обжиг увеличивает плотность микротрещин и их среднюю ширину, наибольший рост пористости зафиксирован для яблони и груши, в которых максимальное увеличение содержания полифенольных веществ.

Обработка экспериментальных значений методом нелинейной регрессии позволила рассчитать кинетические параметры экстракции ванилина в зависимости от способа активации. Показано, что при комбинированной активации константа скорости реакции k достигает максимальных значений за меньший период времени, что сокращает продолжительность экстракции на 2–3 сут для всех исследуемых культур. Таким образом, показано, что комбинированная активация (ферментативная обработка с последующим влажным обжигом) обеспечивает максимальное накопление целевых сенсорно значимых соединений – ванилин и бензальдегид с высокой степенью связи между данными веществами и органолептической оценкой. Прикладное значение данного исследования состоит в том, что экспериментальные данные могут быть применены на малых винодельческих предприятиях при обосновании и разработке технологии выдержанных дистиллятов из местного плодового сырья.