Università degli Studi di Bologna FACOLTÀ DI AGRARIA
Corso di Laurea in Scienze e Tecnologie Alimentari Materia di Tesi: Tecnologie Alimentari I
CARATTERIZZAZIONE AROMATICA DI DISTILLATI DI VINACCIA CULTIVAR TREBBIANO: INFLUENZA DEL CEPPO DI LIEVITO Tesi di Laurea di:
Luigi Gennari
Relatore:
Chiar.mo Prof. Claudio Riponi Correlatore:
Dott. Andrea Antonelli
Parole chiave: distillazione, lieviti, fermentazione, vinaccia, esteri
Sessione III Anno Accademico 1998 ... 1999
INDICE
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;L'evoluzione del consumo delle bevande alcoliche dall'anHcbi& adi' " I
"LA GRAPPA .,Legislazione
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Considerazioni generali sulle vinacce
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La composizione delle vinacce
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Considerazioni sulla fermentazione alcolica della vinaccia
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Produzione di alcoli superiori esteri e composti volatili
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La problematica dell'insilamento delle vinacce: la produzione di 18 metanolo
LA DISTILLAZIONE
21
La tecnologia della distillazione applicata alla produzione delle grappe e dei distillati di vinaccia 21 Teoria della distillazione
21
Le principali tecniche di distillazione impiegate nell'industria dei distillati
29
Distillazione semplice o differenziale
30
La distillazione per rettifica o con riflusso
35
La distillazione della vinaccia
46
INTRODUZIONE
Pag
,PARTE SPERIMENTALE
51
. Scopo della tesi
51
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Materiali e metodi
52
Discussione dei risultati
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L'evoluzione del consumo delle bevande alcoliche dall'anti~hità lld oggi Fino al secolo x;IX l'acqua è: stata considerata, nella società occidentale, come una sostanza inadatta al consumo. Il rifiuto ,dell'acqua come bevanda era unanime da parte delle civiltà più antiche" dalla Egiziana, alla Babilonese, dall'Ebraica all'Assira, dalla Greca alla,Romana.. Nel corso dei secoli si era constatato, infatti, che l'acqua poteva essere nociva in quanto' veicolo ·di ·malattie croniche ed acute, soprattutto a causa delle precarie condizioni igienico sanitarie, che si riscontravano presso i ceti più disagiati. .Le beva,lde alcoliche, quali la birra ed il vino., non presentavano questi problemi . grazie alle loro caratteristiche dj acidità e grado alcolico e quindi ,venivano spesso preferite all'acqua. , Nel medioevo . la . scoperta della distillazione provocò la prima importante tr~forntazione quaIitativa e, quantitativa nel, consumo dell'alcol··da' parte dell'uomo: grazie a questa tecnica si poteva concentrare ed isolare l'etanolo, preparando bevande di cui era nota la potenza alcolica. L'alcol era apprezzato come base ideale per la preparazione di medicinali ed· era considerato un' autentica panacea; la sua diffusione sembra che abbia seguito molto da vicino la grande peste del 1348. Solo nel XVI secolo si cominciò a parlare di distillazione della vinaccia, ed il termine alcol entrò in uso col significato di "fmezza eccellente", ma andò presto in disuso finchè Lavoisier lo ripropose nel 1787 nella nuova nomenclatura chimica. Infatti risale a questo periodo l'indagine condotta da diversi studiosi, sulla sua natura chimica, la sua formazione ed il suo controllo analitico: si riuscì ad ottenere l'alcol etilico anidro e si mise a punto un metodo per la produzione di etanolo partire dall"amido. Sarà in seguito Pasteur che spiegherà in maniera esauriente la fermentazion~ delle sostanze glucidiche. Contemporaneamente si scoprono gli altri alcoli e, intorno al 1850, si rilevò l'esistenza del metanolo e degli alcoli amilici. Nel frattempo furono approfondite le conoscenze inerenti gli enzimi che partecipano alla biosintesi degli alcoli superiori, giungendo così alla produzione di alcol anche mediante muffe, soprattutto del genere Mucor. Si arriva pertanto ai nostri giorni in cui l'alcol, inteso come bevanda, risulta essere ben poca cosa rispetto ai suoi impieghi industriali (G. Meloni, 1953).
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L'evoluzione che ha contraddistinto il mercato delle bevande alcoliche in questo ultimo decennio, ha portato a considerare tali prodotti non più come parte integrata della dieta (caso emblematico è quello del vino), be~sì come fattori prettamente edonistici, 'in conseguenza dei mutati stili di vita. ' Si sta quindi verificando' un' canibiatneÌito 'di tendenza che sta avvantaggiando maggiormente i prodotti di alto pregio, determinando contemporaneamente un drastico calo del consumo di massa. A conferma di tutto ciò basta considerare i dati relativi al consumo di alcolici e super' alcolici, negli USA negli anni 80: il consumo della birra è sceso di circa il 7%, quello dei vino di oltre il 15% mentre l'assunzione dei super alcolici è diminuita di quasi il 25%. ' Tale fenomeno si sta verificando anche in Europa ed è 'quindi di vitale importanza, per il settore adeguare i prodotti alle nuove esigenze del consumatore. In questa ottica, soprattutto il settore enologico, sta mirando ad 'una prodw;ione di pregio specialmente nel settore dei distillati in cui, una' parte dei produttori, sta orientando la propria attività sulla'qualificazione del proprio marchio. Nel mercato delle grappe, ad es'empio, stanno affermandosi, prodotti che si rifanno ai nomi di vitigni di pregio e soprattutto la nuova linea di distillati ottenuti da uva pigiata, fern1entata con le parti'solide e distillata (acquavite d'uva).
LAGRAPPA Legislazione
Il regolamento C.E.E. che stabilisce le nonne generali relative alla definizione, alla designazione e alla presentazione delle bevande spiritose è il n°.l576/89 del 29 maggio 1989. Ai sensi del presente regolamento SI intende per bevanda spiritosa il liquido alcolico: - destinato al consumo umano - avente caratteristiche organolettiche particolari, un titolo alcolometrlco minimo di 15% voI ed ottenuto sia direttamente mediante distillazione, in presenza o meno di aromi, di prodotti fermentati naturali e/o mediante macerazione di sostanze vegetali e/o aggiunta di aromi, zuccheri o altri prodotti edulcoranti e/o di altri prodotti agricoli nell'alcole etilico di origine agricola e/o in distillati di origine agricola e/o acquaviti, sia mediante miscelazione di una bevanda spiritosa con: - una o più altre bevande spiritose, - alcole etilico di origine agricola, distillato di origine agricola o acquavite, - una o più bevande alcoliche, - una o più bevande. Ai sensi del presente regolamento si intende inoltre per "acquavite di vinaccia" o "marc " la bevanda spiritosa ottenuta da vinacce fennentate e distillate direttamente mediante vapore acqueo oppure dopo l'aggiunta di acqua e con eventuale aggiunta di feccia; la distillazione è effettuata in presenza delle vinacce stesse a meno di 86% voI e con un tenore di sostanze volatili pari o superiore a 140 g/hl di alcole anidro e un tenore massimo di alcole metilico di 1000 gIhl di alcole anidro. La denominazione "acquavite di vinaccia" o "marc Il può essere sostituita dalla denominazione "grappa " unicamente per la bevanda spiritosa prodotta in Italia
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Considerazioni generali sulle vinacce
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Nell~ambito delle normali operazioni di vinificazione, le vinacce rappresentano una cospicua quantità dì materia prima, considerata generalmente JlIl sottoprodotto da scartare, ma che in alcune condizioni può costit\Ùre una materia prima dì valore (nel caso in cni un'azienda abbia i mezzi e la volQntà di acqnistare e gestire un impianto di distillazione). Per meglio comprendere perché sia necessario porre così grande attenzione alle vinacce fin dalla loro prima separazione in cantina, è opportuno analizzare la loro composizione chimica e le diverse trasformaziQni cni vanno inrontro fino al momento della distiilazione. Poiché le bucce e la relativa frazione dì mosto in esse inglobata sono gli elementi che condizionano maggiormente la composizione del distillato, è su questi che viene concentrata l'attenzione del produttore.
La composizione delle vinacce Le vinacce non ancora fermentate (vinacce vergini) presentano compoS1Z1One chimica variabile a seconda di vari fattori, quali: l'andamento stagionale, la varietà del vitigno, l'epoca dì vendemmia, nonché le tecniche impiegate per la separazione del mostO. I valori rompositivi medi delle vinacce sono comunque i seguenti: acqua 50-70%, zuccheri 6-8%, acidì organici 1-2%, tannini 1-2%, sostanze minerali 1-2%, ente minori quali cellulosa 10-20%, grassi 2-4% ed altre sostanze quantitativam proteine, pectine, vitamine, sostanze CQIQ1'3uti, aromatiche, lieviti, batteri ecc. I più importanti composti chimici presenti uelle vinacce, sono i seguenti. Acqua: è il componente maggiore dei tessuti vegetali ed il suo quantitatvo varia in funzione dì alcuni fattori tra cni lo stato dì matuIazÌone e le condizioni idriche al
'tanto ma' , . tanto più elevato è il valore di umidità dee Il vmacce . questa materia prima. ' gglore sara ù pregio
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" . Zuccheri' la loro quantità"e m stretta relazione con l' .d' , d ESSI sono costituiti essenzialmente da l ' umIltà elle vmacce stesse. g UCOSlO e fruttosio in d' . .. rapporto 1 crrca 0,9/1 e sono trasformati con la fermentazione' . 1 0,6. m a CQletùlCQ con un -ooefficiente di circa
~ci~i: le ~acce presentano rispetto al mosto d'uva . . ., ' .). acido magmormente pf~:te "1 ,. .' una mmore aCIdità tltolabile' e~ ..... » .... e i tartanco· mR ." ' dì acido malico, citrico, succinico ed SI nscontrano anche piccole uantità
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, a scarsa acidità delle vinacce (0,3-04%)" d' potassio, calcio e magnesio. , e ovuta alla fOrmazIone dì sali dì Co~~que la possibilità di avere vinacce con un di . ." mal uble, sia per la buona azione seletti" d sereto valore di aCIdità, è quanto ." va a essa operata sui l" 'ti" " . az10ne lDlbente sui batteri l' , . leVi , SIa per la sua non so o lattlci ma anche di al "' . responsabili di reazioni de gradati "f: di " tn mdeslderabili S " ve In ase conservaz1One osta=: p~ctiche: sono costituite da lunghe catene lin .'. . . cm funzlOm acide sono in parte est 'fi earl di aCIdo galatturomco le " en cate col metanolo' qu t' lti sta enzimatica che della temperatura dì dì till. . . ' . es u mo, per azione macromolecola andand . s az1One, Viene lIberato per ·idrolisi dalla o a contammare il distillato, come SI. vedrà meglio in seguito.
Sostanze aromatiche'. ne Ila vmaCCla . , è contenuta ' l ' aromatiche varietali costituend ' di a maggIOr parte delle sostanze . , . o qum una materia' ottenere grappe con specifich " pnma preZIosa al fine di , ' .. , . e note aromatIche. Gh arOlTIl .vanetali qum . di' . ,InsIeme a quelli secondari d ' '. ' sono quelli che caratterizzano l . .. envantl dalla rermeutazlOne a vmacCla (De Rosa, 1994). ,
momento della vendemmia. Ben più importante è il valore dì umidìtà delle vinacce, che risente esclusivamente della qnantità dì mosto o vino che viene lasciato inglobato nella massa: nel caso dì vinacce vergini, è stretto il rapporto fra valore di umidìtà e grado zuccherino, infatti 4
5
Considerazioni sulla fermentazione alcolica della vinaccia È stata in pre..cedenza sottolineata l'importanza della fermentazione delle vinacce per la produzione di distillati di pregio, anche considerando il fatto che la grappa, così come tutti i distillati di vinaccia, acquisisce le proprie caratteristiche organolettiche proprio dai composti che si originano da tale processo biologico. Risulta quindi importante focalizzare l'attenzione sulle modificazioni della composizione della matrice durante la fermentazione. A tale scopo è bene precisare che per fermentazione si intende: quel processo biochimico mediante il quale alcuni microrganismi (funghi, batteri e lieviti) rendono utilizzabile, per le proprie necessità, l'energia chimica di sostanze organiche (principalmente zuccheri, ma anche proteine, acidi e alcoli). È quindi un processo complesso che si sviluppa in una serie di reazioni promosse da enzimi specifici, presenti nelle cellule di tali microrganismi (Campisi, 1994). Innanzitutto occorre precisare che le fermentazioni si' diversificano in base al tipo di substrato utilizzato dai microrganismi; a tale proposito qui di seguito è riportata una tabella nella quale son? elencati numerosi tipi di fermentazioni diverse, tutte utilizzate sia in campo alimentare che biotecnologico. TIFO DI .FERMENTAZIONE
SUBSTRATO MICRORGANISMI PRODOTTO FINALE
PRODOTTO INDUSTRIALE
acetica
alcol etilico
batteri (Acetobacter Acetomonas)
acido acetico
aceto
alcolica
zuccheri
lieviti (Saccaromyces)
alcol etilico
vino e grappa, birra,pane
butirrica
zuccheri
batteri (Clostridium) acido butirrico
acido butirrico
citrica
zuccheri
funghi (AspergillZis); i, aeidétcittico ' glicerina lieviti (Saccaromyces)
acido citrico
glicerica lattica
propionica
zuccheri zuccheri
zuccheri, polialcoli, acidi organici, amminoacidi
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batteri (Streptococcus, Lactobacillus)
acido lattico
batteri (propionibacter)
acido propionico
Dalla tabella si può rilevare, inoltre, che ad eccezione della fermentazione ,_~' acetica che utilizza l'alcol etilico'come' substratottutte le altre fermentazioni utilizzano gli zuccheri,' in" particolare il 'glucosio ed il fruttosio; tutti questi proèessi hanno quindi una tappa iniziale fondamentale in comune: la glicolisi. " La glicolisi 'è il complesso di' biochimismi mediante il :quale tutte le cellule " " V1ventisono in grado' di ricavare 'energia utilizzando la più importante 'tra le , ' fonti di nuttimento cioè gli zuccheri ià forma di esosi: il 'glucosio ed! il fruttosio (Vàlitutti;et al.~ 1989). ( , ,~' ,In, generale' il processo può' essere' riassunto 'in 'una, ossidazione (reazione tipicarrientè, esoergonica) :il glucosio viene infatti ossidatoconproduziorre di 2 , :", '.molecole di acido pinivico e" A TP; qui di seguito vengono ora schematizzate tutte'le reazionidella'glicolisi: :c, r
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Fl'uttosio-1.E5-difosfato {F-1,6-DP)
Fruttoslo·6~fosfat9 (F-6~PY:
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3-Fosfogllcer~to (3~PG)
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GlucOSIO.6-fOstato ,{G.S-P)
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Osservando il complessorli reazioni si nota comunque, che esso può essere effettivaniente suddiviso in due stadi, il primo dei quali si conclude con la ,produzione di gliceraldeide-3-fosfato edè endoergonico perché richiede 2 moli di ATP, :mentre il secondo porta alla formazione di acido piruvico ed è esoergonico perché determina la produzione di 4 moli di ATP. Quindi il bilancio . globale.è in defrnitiva di 2 moli di ATP (4 -'- 2) per 'ogni mole di glucosio, che è relativamente poco per un processo ossidativo (Zambonelli,' 1988). Di fatto il piruvato è una molecola avente ancora un elevato contenuto~ energetico, quindi con la glicolisi non si ottiene l' ossidazione completa: del glucosio con '.produzione di anidride carbonica e acqua, per cui l'ottimizzazione del processo si raggiunge solo partendo dal piruvato stesso e' seguendo due possibili strade: il ciclo di Krebs abbinato alla fosforilazione ossidativa elo la fermentazione ,:. (Valitutti et al., 1989).
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primo dei due pro~essi è tipico degli organismi superiori la cui vita è condizionata dalla presenza di ossigeno che, rende"' a~bile la fosforilazione ossidativa, mentre il secondo è caratteristico def illicrorganismi che possono vivere anche in assenza di ossigeno. Per quanto riguarda la fermentazione rucolica, il chimismo proposto è il seguente: H~y
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PiruYalu
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~etl!rbBssilasi
Piruvato (P) Glucosio (G)
2. 0=0 l Attui deiqrogenasi H Acetaldeide
Etanolo
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ciclo di krebs i~ presenza di ossigeno
e può essete scritto anche: in forma di Bilancio globale mettendo in evidenza anche le moli di ATP prodotte: .' .
Quindi in tutti i substrati fermentescibili, i microrganismi e nel caso specifico i lieviti del tipo Saccaromyces, operano la trasformazione di una mole di glucosio in due moli di etanolo e due moli di anidride carbonica. La resa energetica della fermentazione è comunque nettamente inferiore a quella dell' ossidazione completa del glucosio in quanto, come si può notare dalla reazione complessiva, non potendo essere l'ossigeno a fungere da accettore degli elettroni ceduti dalla ossidazione del NADH + W, è l'aldeide acetica che adempie a questa funzione; essa, ridqcendosi, produce etanolo, che è un composto avente ancora un elevato contenuto energetico; ciò determina la formazione di un minor numero di cellule. Ad ogni modo, però, l'aspetto che maggionnente interessa ai fini della produzione delle bevande alcoliche è proprio la resa in alcol etilico. La buona conduzione del processo di fermentazione in ambito industriale assume quindi un'importanza fondamentale per la qualità del prodotto finale; in particolare i parametri che devono essere tenuti sotto costante controllo sono: la temperatura, la pressione parziale dell' ossigeno, la concentrazione di S02 (anidride solforosa) disciolta, le condizioni di sussistenza dei lieviti alcoligeni ed il livello di acidità fissa. L'intervallo di temperatura da ritenersi ottimale per la vitalità del lievito è compreso tra i 16 e i 30°C, e quindi sarebbe auspicabile un controllo costante della temperatura per non compromettere la qualità del prodotto fmale. Infatti come per tutti i processi biologici, le alte temperature (37 - 40°C) determinano 1m' accelerazione de Il 'attività produttiva del lievito con conseguente maggiore richiesta di energia, a scapito di una più rapida demolizione degli zuccheri ed una minore resa in alcol; contemporaneamente si registra una maggiore produzione di composti secondari indesiderati dovuti allo sviluppo di fermentazioni batteriche. La pressione parziale dell' ossigeno, cioè impropriamente la sua concentrazione nella matrice, rappresenta, come risulta dalle considerazioni fatte in precedenza, il fattore discriminante tra un processo fermentativo anaerobio ed un processo ossidativo aerobio. In pratica una eccessiva aerazione del mezzo comporta un aumento della resa energetica del processo e, quindi, un maggior consumo di zuccheri ed una riduzione della resa in alcol; inoltre la presenza di ossigeno favorisce lo sviluppo degli acetobatteri che utilizzano l'etanolo ossidandolo ad acido acetico. L'anidride solforosa (S02) svolge sia un'azione inibente nei confronti dei microrganismi patogeni (clostridi, batteri lattici e non), sia una antiossidante in quanto la sua frazione libera, e più precisamente quella molecolare strettamente
8
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dipendente dal pR mantiene l'ambiente ridotto; tuttavia 1'802 crea problemi agli impianti di distillazione, in quanto, ossidandosi in ambiente acquoso, determina la formazione di acido solforico, che agisce corrodendo le parti metalliche, sòprattutto quelle realizzate in rame. In questo caso specifico, la matrice fermentescibile è costituita da vinaccia "vergine" (non fermentata precedentemente) che è un sottoprodotto delle normali fasi di vinificazione in bianco, contenente quantità variabili di mosto o di vino con residuo zuccherino (umidità della vinaccia). Per una buona fermentazione alcolica di tali vinacce occorre quindi procedere ad una spinta compressione dell'intera massa, al fine di ridurre al minimo la quantità di aria inglobata. La fermentazione, comunque, rimane sempre la fase più delicata del processo ed è necessario che essa si avvii immediatamente e nel miglior modo possibile; a tale scopo diventa importante ricorrere all'impiego massiccio di lieviti selezionati in grado di attivare immediatamente la fermentazione e contemporaneamente, dare a questa popolazione la possibilità di riprodursi velocemente a scapito di altre specie meno gradite (lieviti aplculati, torule, candide) (Zambonelli, 1988).
, :Produzione di,al,çoli superioriesterie composti volatili L'aspetto della fermentazione, che maggiormente interessa ai fini della produzione di distillati di~ pregio, è comunque la foTlIlazionedi composti '~ ;seçDndari~' definiti:tali' in quanto vengono prodotti, secondariamente rispetto alI' etan91p" part~ndo da molecole diverse dag~i zuccheri,- q~ali ad esempio, amminoacidi, acidi organici, pectine ecc. Dal punto di,vista chimico, -la vasta gamma "dei composti secondari è rappresentata principahnente da: alcoli superiori, esteri e composti volatili, dalla cui azione combinata dipendono, in modo rilevante, le principali caratteristiche organo letti che che concorrono a delineare la qualità dei distillati. . Principalmente, gli alcoli superiori e gli esteri etilici di alcuili aCidi grassi a cprta e media catena, sono i maggiori responsabili di ciò che viene definito aroma secondario dei distillati; infatti, mentre' l'aroma primariO è' dovuto prevalentementeai« composti terpenici 'che caratterizzano l' i:mPlionta ·del~· vitigno (cioè la caratteristica aromatica tipica di ogni cultivar di vite), l'aroma secondario è dovuto a tutto l'insieme dicoI)1posti ccbe si originano' durante i pro~essi}e~~mtativi e che conferiscono il vero e proprio carattere'vjnoso (Carnacini et al., 1,986). Ciò significa che pilotando 'la fermentazione, impiegando ceppi di lievito selezionati, è PQ~sibi1e fare in modo che il distillato acquisisca particolari ~ gradevoli note aro~a.tiche; infatti la c~pacità di produrre i singoli'a.lcoli è un'~ru:attere tipicò'del,ceppo di lievito;-impiegato e la quantità può variirre anchè in misura' considèrevç>le a seconda della s~ecie (Zambonelli, 1988) . . . Per quanto riguarq~'gli alcoli superiori, quelli più importanti in.distil1.eria e noti come costituèn:ti: del "Fusel Oil", s~no: il n-propanolo, l'i-butanolo, gli alcoli ~ici, edil fep.iletilico~ , . (I Tali alcolil'i,: sono il _risultato di una,. duplice attività syo1ttldai lieviti durante la "" fertÌ:lenta2;ione: anabo)i9a a partire~ett.~~nte dagli zuccheri e/o c.atabolica a ; partire principalmente dagli amminoacidi.>pre,seJ;lti r)Jel, .1.PèizO; nella tabella pré'sentata hella pagin~ successiva è, riportata:lacorrispoAdenza·tra: amminoacidi ed alcoli superiori daès~i derivati~' -. , Verrann~' quindi presi ora in co~ider~ioD:ei. m~ccanismibiochiinici mediante i quali i lieviti,sono grado di prodl,llTe i singoli alcoli superiori insèdé di fermentaZIone, La prima tappa del processo è una reazione di trapsaminazione in cui 'l'acido a,. ?hetoglutaric~ funge da accettore 4i:un gruPPO amminico; con la conseguente , '
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f0rm.azione di un. ch~toacido che successivamente diventa un alcole superiore, prevla decarbossilazlOne e riduzione (processo catabolico) (Valitutti et l 1989). a., ALCOLI SUPERIORI
AMMINOACIDI CORRISPONDENTI
n-propanolo (l-propanolo)
Amminobutirrico
i-sobutanolo (2-metil2-propanolo)
Valina
Fase finale del process~ di biosintesi del~-p'
[email protected]
decarbQssilazione e riduzione; gli a-chetoacidi gioc~o quindi un ruolo fondamentale nella biosintesi gegli alcoli superiori (Suomalainen, 1970). Per quanto ngy.~da invece·· le differe)1,Ze esistenti tra j diversi ceppi nella produzion~:.di_alcolisuperiori, é·· stato provato sperifiientalriiente che mentre la produzione di n-propanolo e di i-butanolo è una stretta caratteristica del ceppo di lievito impiegato,' quella deglf'atcoli amllicoed iso~i~Ò, ,è, 'f6rieri,iente dipendente dal mezzo ed in particolare dalla disponiblìità di zu~cheri !
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Alcol amilico (2-metil l-butanolo)
Isoleucina
Alcol isoamilico (3-metil l-butanolo)
Leucina
Alcol fenil etilico (2-feniletanolo)
Fenilalanina
.. Tabella di comspondenza tra alcolI supenon ed ammmoacldi da CUl denvano ~o
schema delle reazioni, proposte per la biosintesi del n-propanolo, è di seguito nportato.
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Prima tappa della biosintesi del n-propanolo (reazione di transaminazione).
Come si può notare, la prima tappa di questo processo consiste nella transaminazione tra amminobutirrato e a-chetoglutarato, con formazione del chetobutirrato, il quale, successivamente, subisce una decarbossilazione con formazione dell'aldeide propionca che viene infine ridotta a n-propanolo; lo schema della reazione è riportato nella pagina successiva. Per tutti gli altri alcoli superiori vale sempre il ~edesimo meccanismo, cambiano solo gli amminoacidi di partenza. Part~ndo invece direttamente dagli zuccheri, la prima tappa del processo conSIste nella produzione di acido piruvico che, successivamente legandosi èon un ag~te acetilante, forma un chetoacido con due carboni in più (processo anabohco); tale cheto acido viene poi trasformato in alcole superiore previa
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fermentesci~il~ (Castellari,efal., 1 9 9 4 ) : ,
. Questo importante fenomeno puÒ essere spiega~p da;fJatto che mentre gli zuccheri rap'presentano, la principale, fonte di IUltrllnento per tutti i iieviti indipendentemente dalla -specie, per gli amminoàcidi invece, le esigenze sono differenti e variano da 'sp'ecie a specie ID, funzione dellì:c~omposizione del pool amminoacidico cellulare; inoltre ya sott
odore oleoso, rancido e sgr~devdle. . . .. I , Anche in questo caso l'aZione del ceppo di !iev~to è determiIiante e condiziona la quantità totale' degli esteri. Questi composti, infatti, 'derivano dal loro metabolismo cellulare ed in particolar~. sono legati ai 'divèrsi processi in cui entra in gioco il coenzima-A. Durante la fermentazione le cellule di lievito producono acll-coenzima-A, sia mediante l'attivazione delle molecole di acidi grassi, sia mediante la decarbossilazione··ossidativa·dgli a-cheto~cÙii; 'questi due meccanismi differiscono principalmente per la diversa capacità di utilizzare "..
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l' ATP. Gli schemi delle reazioni riportati qui di seguito,' mostrano appunto i due diversi, modi con cui si fon:p.a l'intermedio acil-coenzima-A, partendo da un
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Anche nella biosintesi degli esteri, così come nella sintesi degli acidi grassi, il passaggio" principale consiste sempre,' nella fò~iòn~ di nialonil~coenzima-A per carbossilazi~n~ di una mol,ecola di acetil~coenzima-A. " , .
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Prima tàppa della biosintesi d~ll'esanoato di etile:f<:>mi.azione dell'esanoil-coenzima-A.
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coenzimeiA etanolo
esanoato di etile
Prendendo poi in esame il differente comportamento metabolico dei diversi ceppi di lievito nella produzione di esteri, si è visto, ad esempio, che il Candida Krusei e l' Hansen ula anomala, sono in grado di produrre più acetato di etile rispetto al Saccaromyces cerevisiae. Quest'ultimo inoltre, si è rivelato essere un grosso produttore di isopentil acetato,esanoato di etile, ottanoato di etile, decanoato di etile ed acetato di fenetile (Nykanen, 1985). C'è un altro parametro che può agire però in modo significativo sulla produzione di esteri: la presenza di ossigeno. Si è visto infatti che l'aerobiosi determina una riduzione della formazione di isopentil acetato ed esanoato di etile in matrici fermentate da Saccaromyces cerevisiae. (Nykanen, 1985). Dal punto di vista quantitativo, quindi, gli alcoli supe~iori e gli esteri rappresentano la quota preponderante dei composti secondari che concorrono a delineare l'assetto aromatico dei distillati; nonostante ciò, non bisogna dimenticare che esiste anche una vasta gamma di altri componenti che, se pur presenti in quantità molto basse, determinano importanti modificazioni dell'aroma. Tali composti derivano sia dalla normale attività fermentativa operata dai lieviti a carico degli zuccheri, che dall'azione di altri microrganismi, in particolare batteri, che agiscono in concomitanza ai processi fennentativi che avvengono nelle vinacce. Essi sono rappresentati principalmente dall'acido acetico, dall'aldeide acetica, dall'acetoino e dal diacetile. . L'aldeide acetica e l'acido, acetico, derivano da modificazioni dell'attività metabolica dei lieviti dovute ad improvvisi cambiamenti dell'assetto chimico dell'ambiente fermentativo. Infatti, studi precedenti hanno dimostrato che 1
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Alcolisi dell'esanoil-coenzima-A con formazione dell'esanoato di etile
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Schema dei due diversi processi biologici che portano alla formazione dell'intermedio , comune, acil-coenzima-A ,
Come si può vedere, la prima fase della biosintesi comporta l'aggancio di due atomi di carbonio al butanoil-coenzima-A, ad òpera.del malonil-coenzima-A che funge quindi da intermedio donatore di atomi di carbonio; successivamente, l'esanoil-coenzima-A, reagisce con l'etanolo, presente in abbondanza nel mezzo e si forma l'esanoato di etile (Nykanen, 1985).
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l'accumulo della S02, sia di origine esogena che endogena (prodotta dai lieviti stessi), provoca la éattura dell'aldeide acetica bloccando, così, l'attività dell' alcol deidrogenasi che determina la produzione di etanolo; ciò comporta quindi l'accuÌnulo dell'aldeide acetica stessa in forma di composto quatemario stabile. L'aumento del pH, invece, favorisce l'attivazione dell'aldeide deidrogenasi che determina l'ossidazione dell'acetaldeide ad acido acetico, con conseguente diminuzione della produzione di etanolo ed accumulo di acetato di etile; questo fenomeno, comunque, anche se in minima parte, si verifica sempre durante i processi fermentativi (Zambonelli, 1988). Per quanto riguarda invece la produzione di acetoino e diacetile, la cui presenza non è molto gradita dato che, soprattutto il diacetile conferisce uno sgradevole aroma di burro, se presente in quantità troppo elevate, si è visto che derivano entrambi dall'attività dei batteri lattici, agenti della fermentazione malolattica, che sono in grado di metabolizzare anche l'acido citrico. Sembra che sia proprio in base a questa loro caratteristica che si originano i due composti sopra citati. L'acetoino, comunque, si forma anche per condensazione dell'aldeide acetica, quindi se si verificano le condizioni cui si è fatto cenno in precedenza, anche i lieviti sono indirettamente in grado di produrlo. Un' alta caratteristica dei lieviti, che merita di essere presa in considerazione, è la capacità di produrre idrogeno solforato (H2S) e anidride solforosa, in quanto tali composti, se prodotti in grande quantità, possono causare gravi inconvenienti sia dal punto di vista qualitativo che tecnologico. Infatti l'S02, come è già stato detto in precedenza, reagisce, durante la fase di distillazione, formando acido solforico corrosivo; mentre 1'H2S, che già. di per sé è dotato, di un odore sgradevole, può anche formare composti solforati altamente indesiderati. Generalmente tutti i lieviti, ed in particolare quelli appartenenti al genere Saccharomyces cerevisiae, sono in grado di produrre idrogeno 'solforato partendo da solfato inorganico; in questo modo riescono ad atltosintetizzare gli aminoacidi solforati come la cisteina e la metionina. Dal punto di vista biochimico, questo processo comporta, innanzitutto, 1'assimilazione dei solfati dal mezzo in fermentazione ad opera dell' enzima solfato permeasi, successivamente si verifica la riduzione dei solfati' a solfiti i quali vengono poi ridotti ulteriormente ad idrogeno solforato che, reagendo a sua volta con l'acetilserina e/o con l'acetil-omoserina, dà origine rispettivamente alla cisteina ed alla omocisteina (Zambonelli, 1988). Precedenti ricerche hanno poi dimostrato che l'incapacità di produrre idrogeno solforato è attribuibile a difetti di natura genetica caratteristici di ceppi mutanti. Questa caratteristica può q~di risultare molto interessante ai fini della
selezione dei ceppi di lievito da impiegare nella fermentazione della vinaccia r destinata alla produzione dei distillati. Per quanto riguarda la produzione di anidride solforosa, invece, sembra che si origini in seguito ad un complesso processo biochimico, ancora non del tutto noto; quel che è certo invece è che questa capacità è caratteristica di tutti i ceppi e che non esistono varianti genetiche incapaci di produrre detto composto. In sede di selezione è quindi importante valutare l'entità della produzione (Zambonelli, 1988). L'iltimo ma non meno importante composto secondario preso in considerazione è il metanolo; esso è temuto soprattutto per la sua tossicità molto elevata, quindi se è presente nei distillati in quantità superiore ai limiti consentiti dalla legge, può risultare nocivo. Sul suo meccanismo di formazione, derivante principalmente da processi chimici e non biologici che si verificano in seno alla vinaccia durante l'insilamento,' si tratterà più ampiamente nel paragrafo successivo; per ora è sufficiente precisare che la produzione di metanolo avviene anche ad opera di particolari microrganismi (principalmente muffe e batteri, ma non lieviti) detti pectolitici, che idrolizzano la sostanza pectica, la quale rappresenta il substato di base per la formazione di questo composto. Tutti i processi biologici che sono stati fino ad ora presi in considerazione e che determinano la produzione dei composti secondari, sono comunque tutti condizionati da un parametro di fondamentale importanza sulla qualità dei distillati: il tempo di permanenza delle vinacce nei silos.
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17
galatturonico ed: ,è .ptopriodall'idrolisi 'di tali esteri che viene liberato il metanolo. '
La problematica dell'insilamento delle vinacce: la produzione di metanolo
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. La fase più critica del ciclo produttivo dei distillati di vinaccia, è la conservazione della stessa, in attesa della distillazione. Infatti l'arrivo repentino, in distilleria, di grosse quantità di vinaccia disponibile solo nel periodo consecutivo alla vendemmia, impone l'obbligo di insilarla anche per periodi molto lunghi. Durante l'insilamento, si verificano sia i normali processi fermentativi che determinano la produzione di tutti i composti aventi un effetto positivo sulla componente aromatica dei distillati, sia il complesso di modificazioni chimiche che portano alla formazione di composti sgraditi quali, soprattutto, l'alcol metilico ed il2-butanolo. In sostanza, quindi, il prolungamento inevitabile del periodo di insilamento delle vinacce, favorisce l'innesco di un complesso di processi di trasformazione che si verificano a carico di tutti i composti facenti parte del così detto aroma prefermentativo derivante dalle manipolazioni cui viene sottoposta l'uva dal momento della raccolta a quello dell'avvio della fermentazione alcolica. I trattamenti che il frutto subisce prima della fermentazione, dal tipo di raccolta al trasporto, ai diversi sistemi di pigiatura, determinano non solo un' estrazione più o meno spinta degli aromi in situ, ma sono anche i responsabili della formazione di nuovi, derivanti dall'attività di diversi enzimi quali: idrolasi, ossigenasi, ossidoriduttasi, che entrano in gioco anche durante l'insilamento, grazie alle favorevoli condizioni chimiche (Carnacini et al., 1986). Nei riguardi del metanolo, in particolare, si è già detto che è un composto altamente tossico e che dovrebbe essere -quindi totalmente assente dai distillati. La sua eliminazione però non è cosa semplice; infatti pur esseIldo un prodotto di testa, cioè più volatile dell'etanolo e quindi teoricamente eliminabile scartando le prime frazioni di distillato, in realtà possiede la caratteristica di distribuirsi in tutte le frazioni di distillato. La problematica deve essere quindi risolta a monte, impedendo che tale alcol si formi e si accmnuli nella vinaccia da distillare. Il meccanismo di produzione dell'alcol metilico consiste infatti ne'na decomposizione idrolitica delle pectine che rappresentano il costituente base delle membrane che ricoprono gli acini di uva. Come si può notare osservando la struttura, qui di seguito riportata, le unità monomeriche della catena polimerica di pectina sono metilesteri dell' acido
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, .Inoltre le perdite in alcol che si verificano a causa dell'attività dei batteri.acetici, sono notevoli e portano anche alla fOffilazione di grandi quantità di acido acetico, acetato di etile e aldeide acetica. Tuttavia, l'attiVità di questi batteri produttori di acidi, può anche fungere da fattore inibente per lo sviluppo degli ancora più temuti batteri anaerobi, quali quelli appartenenti al genere clostridium; ,che sono in grado di degradare gli . zuccheri, le proteine e la cellulosa con 'produzione di composti maleodoranti 'percettibili anche a basse concentrazioni (Usseglio Tomasset, 1978); questi batteri necessitano infatti, per i110fO sviluppo, di pH neutro alcalini. In conclusione quindi per migliorare la qualità dei distillati, occorrerebbe innanzitutto distillare le vinacce il più rapidamente possibile ed in secondo luogo, utilizzare sempre vinacce già fermentate, che abbiano avuto il tempo di macerare insieme 31 proprio mosto, acqulsendolle tutte le note aromatiche. Questo però non è tecnicam.enteattuabile, :d.atochebisognerebbe 'agire in !!lodo troppo drastico sull'assetto organizzativo dell'industria enologica.
LA DISTILLAZIONE
La tecnologia della distillazione applicata alla produzione delle grappe e dei distillati di vinaccia Si è fatto più volte riferimento alla distillazione quale processo chimico fisico impiegato per la produzione dei distillati di vinaccia e quindi delle grappe. Effettivamente la buona conduzione della distillazione influisce in modo decisivo sulla qualità del prodotto finito, indipendentemente dalle caratteristiche della materia prima. Vediamo ora di focalizzare l'attenzione sul processo di distillazione, prendendo in considerazione tutti i parametri che devono essere tenuti sotto controllo al fine di ottenere un buon risultato; verranno poi descritte alcune tecniche di distillazione e gli impianti più in uso presso le distillerie.
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Teoria della distillazione 'i,
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Nel suo significato più generale, il termine distillazione sta ad indicare la produzione di vapore da un liquido e la susseguente condensazione del vapore prodotto. La distillazione implica dunque un fenomeno di evaporazione e di successiva condensazione, per cui, teoricamente, non dovrebbe esistere alcuna distinzione tra processi di distillazione e processi di evaporazione. Tuttavia, mentre per evaporazione si intende quel processo mediante il quale si ottiene la concentrazione di una soluzione mediante evaporazione del solvente, con il termine distillazione si intende invece l'insieme dei processi che comportano la vaporizzazione di una miscela di liquidi con produzione di una fase vapore arricchita del componente o dei componenti più volatili che costituivano la fase liquida; è possibile inoltre ottenere la separazione più o meno accentuata dei componenti che costituivano la miscela iniziale.
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21
Nel corso della distillazione quindi, in ogni istante, la miscela di liquidi tende a produrre un vapore che può essere in equilibrio con essa in quelle determinate condizioni di temperatura, pressione e concentrazione (Cacciatore et al., 1981). È noto che," affinchè fasi diverse (liquido e vapore) siano in equilibrio, è necessario che le stesse possano sussistere contemporaneamente l'una in presenza dell'altra senza modificarsi apparentemente per reciproca interazione. Perciò se in un sistema in equilibrio liquido-vapore, si modificano o la pressione, o la temperatura, o le rispettive concentrazioni del liquido e/o del vapore stessi, dovrà necessariamente cambiare la composizione delle due fasi che compongono il sistema stesso. Presupposto a ciò è, d'altra parte, il fatto che la composizione di un vapore, che sussiste in equilibrio con il suo liquido, risulti diversa da quella del liquido stesso; in tal caso, condensando l'aeriforme prodotto, si ottiene un nuovo liquido costitutivamente identico ad esso e quindi di composizione differente da quella della miscela originale; tale liquido, ridistillato, permetterà di ottenere un nuovo vapore costitutivamente diverso dal precedente (ancora più ricco .del componente più volatile) fino ad ottenere la separazione totale dei due component~ allo stato praticamente puro. Accanto a questa frazione di componente praticamente puro, alla fine del processo di distillazione, avremo il liquido non evaporato all'inizio e tanti altri prodotti rappresentanti le varie frazioni di liquido rimaste dopo ogni processo di evaporazione fatto seguire al primo (Cacciatore et al., 1981). La volatilità di un determinato liquido, è la conseguenza della sua tensione di vapore, cioè la pressione costante che il vapore prodotto dal liquido' medesimo, contenuto in un recipiente chiuso, esercita ad una data temperatura; quindi a parità di temperatura, tale pressione sarà tanto maggiore quanto più il liquido è volatile. Ai fini della distillazione, quindi, sono considerati volatili tutti i liquidi che hanno una pressione di' vapore apprezzabile alla temperatura ambiente e viceversa tutti i liquidi che, alla medesima temperatura, non hanno una pressione di vapore apprezzabile, vanno considerati non vo~atili; per cui miscelando due liquidi dotati di differente volatilità, bollirà per primo quello più volatile (pasquetto et al., 1990). Le variabili principali che influenzano il processo, sono la temperatura e la pressione; tuttavia nella normale pratica industriale la pressione non. viene solitamente modificata e si opera a pressione atmosferica agendo esclusivamente sul paraluetro temperatura. Al crescere di questa, aumenta in modo esponenziale la tensione (o pressione) di vapore fino al punto in cui eguaglia la pressione 22
atmosferica; si raggiunge così il punto di ebollizione per cui il fenomeno dell'evaporazione non rimane più solo superficiale,Jlla coinvolge l'intera massa. A questo punto, risulta interessante considerare come varia la tensione di vapore e quindi il punto di ebollizione, considerando il comportamento di una miscela binaria costituita rispettivamente da: due liquidi completamente immiscibili tra loro e due liquidi completamente miscibili tra loro; nel primo caso, cioè di totale immiscibilità, detti a e b i due liquidi, la tensione di vapore di ciascuno di essi nella miscela, equivale a quella che li caratterizza quando si trovano allo stato puro, per cui la tensione di vapore totale della miscela è uguale alla somma delle tensioni dei due componenti:
In cui Pa e Pb sono rispettivamente le tensioni di vapore dei due componenti a e b nella miscela; Pa e Pb sono le tensioni di vapore dei due componenti puri e P è la tensione di vapore totale della miscela. Distillando quindi una tale miscela, il componente che dei due risulta più volatile comincerà a bollire per primo ed i suoi vapori trascineranno piccole quantità dell' altro componente meno volatile (distillazione in corrente di vapore). Nel secondo caso, di totale miscibilità, che interessa maggiormente la produzione dei distillati, detti sempre a e b i due componenti della miscela, la tensione di vapore di ciascuno di essi nella miscela, risulterà abbassata, rispetto allo stato puro, dalla presenza dell'altro componente; tale abbassamento è regolato dalla cosiddetta legge di Raoult, secondo la quale "la tensione di vapore di un liquido in una soluzione, ad una certa temperatura, è uguale al prodotto della sua tensione di vapore allo stato puro per la concentrazione molare entro la soluzione, alla medesima temperatura":
Pa = xa * P a Pb = Xb * Pb
(2) (3)
in cui Xa e Xb sono rispettivamente le frazioni molari del componente a e del componente b nella miscela, inoltre siccome la somma delle frazioni molari è sempre uguale a l:
possiamo esplicitare la pressione parziale del componente b (Pb), in funzione della frazione molare del componente a (xa):
Dal punto di vista matematico, le formule 2 e, 3 sono equazioni di rette rappresentabili in un piano cartesiano sulle cui ordinate si pongono i valori delle pressioni parziali dei due componenti e sulle ascisse invece, i valori delle rispettive frazioni molari (Cacciatore et al., 1981). t -'"
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costo
Durante la distillazione di una miscela di liquidi completamente miscibili, si verificherà quindi il progressivo arricchimento della stessa nel componente meno volatile con il conseguente progressivo aumento del punto di ebollizione. Risulta ora interessante trovare il modo per evidenziare le modificazioni della composizione del liquido e del vapore in equilibrio con esso, durante il progredire della distillazione. A tale scopo occorre innanzitutto ricavare l'intervallo di temperatura all'interno del quale si svolge l'intero processo; in modo particolare, i limiti di tale intervallo coincidono con le temperature di ebollizione dei due componenti della miscela allo stato puro ed alla medesima pressione (cioè quella atmosferica, 760mm di Hg che equivale circa a l Kg/cm2). A questo punto sarà possibile ottenere, per ogni valore di temperatura compreso nel suddetto intervallo, il corrispondente valore di pressione parziale di vapore per ogni componente della miscela utilizzando il seguente grafico. rlll1fl
1200 '1100
'1000
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---_ _----_.-...... ..........-._----..
XI
X2
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Grafico dell'andamento delle pressioni parziali (Pl e pz) dei componenti l e 2 di una miscela binaria, in funzione delle rispettive frazioni molari (Xl e xz), a temperatura costante
Anche in questo caso, la pressione di vapore totale della miscela è data dalla somma delle pressioni parziali di vapore dei due componenti. Osservando il grafico però si può notare che tale pressione, al contrario di quanto avviene nel caso della miscela di liquidi completamente immiscibili, dipende dalla composizione della miscela stessa, in particolare all'aumentare della frazione molare del componente a (l) nella miscela, aumenta proporzionalmente anche la pressione di vapore totale e viceversa: ciò sta ad indicare che il componente a è il più volatile. In definitiva si può dedurre che in una miscela di liquidi di diversa volatiljtà, all'aumentare della quantità del più volatile, si abbassa proporzionalmente il punto di ebollizione della miscela stessa.
24
100. ............. .
Grafico dell'andamento delle pressioni parziali di vapore dei componenti di una miscela, in funzione della temperatura.
Si possono quindi calcolare le frazioni molari del componente più volatile nel liquido (Xa) e nel vapore in equilibrio con esso (Ya), per ogni valore di temperatura ottenibile con il progredire del processo, utilizzando le seguenti formule, derivanti dalla legge di Raoult:
Ya = (Pa * xa) / P Xa = (P - P b) / (Pa - P b) 25
(6) (7)
in cui Pa e Pb sono le pressioni di vapore dei componenti a e b allo stato puro ed alla medesima temperatura, ricavabili dal grafico di cui sopra, per ogni valore di temperatura compreso nell'intervallo tl-t2 evidenziato nel grafico stesso e corrispondente alla pressione d'esercizio (760mm di Hg); mentre P è la pressione di esercizio che normalmente coincide con la pressione atmosferica. Con le coppie di valori x e y così ottenuti, si può poi ottenere un altro grafico di notevole importanza noto come curva di equilibrio (Cacciatore et al., 1981).
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t
tnr;;:-_ __
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Xl,
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Curva a lente delle temperature di incipiente ebollizione e di rugiada in funzione delle frazioni molari del componente più volatile.
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Curva di equilibrio per una miscela binaria.
L'andamento della curva di equilibrio varia al ariare della pressione ambiente (di esercizio), come si può rilevare analizzando le fonnule 6 e 7. In particolare si può osservare che col crescere di questa, la curva si avvicina alla diagonale; ciò comporta un minor arricchimento in componente volatile del distillato; mentre al contrario, lavorando in depressione, si riscontra un allargamento della curva di equilibrio e di conseguenza, a parità di x (frazione molare del componente volatile nel liquido), si rileva un arricchimento in componente volatile nel distillato. Si è già detto in precedenza che la temperatura di ebollizione di una miscela binaria è strettamente correlata cori la sua composizione; in particolare, considerando la miscela di componenti a e b, si avrà che tale temperatura cambia al variare della frazione molare del componente a in seno ad essa. Riportando sulle ascisse di un diagramma le frazioni molari Xa del componente volatile in fase liquida e in ordinate le temperature alle quali si svolgono le prime bollicine di vapore, otteniamo il seguente diagramma detto a "lente". 26
La curVa l (curva di ebollizione) rappresenta eandamento delle temperature di incipiente ebollizione in funzione della frazione molare del componente a nella miscela di partenza; mentre la curva 2, (curva di rugiada) rappresenta invece e andamento delle temperature finali di ebollizione. Analizzando il diagramma si può rilevare che se la miscela ha composizione iniziale XM, essa inizia a bollire alla temperatura tI, mentre le ultime gocce di miscela iniziale bolliranno alla temperatura t2. Un' altra proprietà di tale diagramma è che esso rappresenta le condizioni di equilibrio di un liquido in presenza del suo vapore; infatti i punti al disotto della curva di ebollizione corrispondono alla sola fase liquida e quelli al disopra della curva di rugiada corrispondono alla sola fase vapore. Se si riportano in ascisse anche le frazioni molari Ya in fase vapore, il diagramma sta ad indicare che se si suppone di distillare una miscela di composizione iniziale Xn, la composizione del vapore ale equilibrio è data dal punto N' evidenziato sul grafico e la corrispondente temperatura di equilibrio è tn ; al punto N' corrisponde inoltre la frazione molare in fase vapore Yn, più ricca del componente a (volatile) rispetto alla miscela di partenza (Cacciatore et al., 1981). Non tutte le miscele binarie, presentano curve di equilibrio regolari, del tipo di quelle finora considerate; è il caso delle cosiddette miscele azeotropiche. 27
Un azeotropo, è un sistema binario che, per una data composizione, presenta un P1ll;1to di ebollizione che può essere maggiore di quello relativo ai due componenti della miscela puri (azeotropo di massimo) oppure minore (azeotropo dì minimo); ne Il 'ambito dell'industria dei distillati, il caso che interessa maggiormente è il secondo; infatti il sistema acqua-alcol etilico rappresenta proprio il tipico esempio di miscela azeotropica con punto minimo di ebollizione, le cui rispettive curve di ebollizione e di equilibrio sono rappresentate qui di seguito. t
t
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tB
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o
1
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Grafici del sistema azeotropico acqua-etanolo.
Le principali tecniche di distillazione impiegate nell'industria dei distillati ' Dal punto di vista industriale la distillazione può essere condotta principalmente, in tre modi diversi a seconda dell' entità della separazione che si vuole ottenere e della quantità di soluzione che si deve" trattare: distillazione flash o "di equilibrio", distillazione semplice e distillazione per rettifica. Tra queste tecniche, la seconda è la più semplice da attuare, infatti trova un vasto impiego nell' ambito delle piccole produzioni artigianali e casalinghe; tuttavia questa grande semplicità di attuazione va a scapito della qualità del prodotto e spesso anche della sicurezza dell'operatore; infatti, con questa tecnica, non è possibile ottenere una buona separazione delle frazioni di testa (le più basso bollenti), in cui si raccoglie la maggior quantità di metano lo; inoltre l'eccessiva leggerezza con cui vengono spesso realizzati gli impianti, a causa dell'imperizia degli operatori "fai da te" e/o del mancato uso di materiali adeguati, li rende molto pericolosi. Non bisogna dimenticare infatti che negli impianti di distillazione mal realizzati, il vapore che si genera può produrre sovra pressioni che portano all' esplosione dell'impianto stesso con conseguenti gravi danni per chiunque si trovi nelle vicinanze .. Per quanto riguarda la distillazione flash invece, si può dire che non trova applicazione nell'ambito della produzione delle grappe e dei distillati, mentre viene notevolmente sfruttata nel settore petrolchimico.
Le curve presentano un punto di minimo M (punto azeotropico) e la miscela di composizione XM viene definita miscela azeotropica. " Distillando una tale miscela, di composizione XM, i vapori da essa emessi hanno "la medesima composizione del liquido da cui provengono;" infatti il termine azeotropo, significa "che bolle inalterato" (Cacciatore et al., 1981). Nel caso della miscela acqua-alcol etilico, l'azeotropo di minimo presenta una concentrazione in etanolo pari al 95% ed il punto di ebollizione è di 78°C circa. Con le tecniche di distillazione convenzionali, come quelle impiegate nell' industria dei distillati, non è quindi possibile separare completamente l'acqua dall'alcol etilico; tuttavia nell'ambito della produzione delle grappe, ciò cIle si vuole ottenere non è l'alcol etilico assoluto, ma bensì una miscela idroalcolica avente una concentrazione in alcol al massimo dell'80%; in questo caso quindi, la distillazione rappresenta ''unicamente'', il modo mediante il quale è possibile concentrare e valorizzare, nel prodotto finito, le note aromatiche gradevoli derivanti da tutto l'insieme di sostanze che costituiscono la materia prima di partenza. 28
29
Distillazione semplice o differenziale FondamentalJllente, la tecnica della distillazione semplice, consiste nel sottoporre la materia prima a parziale vaporizzazionecon sottrazione immediata dei vapori, che si generano all'interno della caldaia in cui viene fatto avvenire il processo, in modo che non si verifichi il contatto degli stessi con il liquido; quindi da un tale processo che è essenzialmente discontinuo, in quanto è necessario svuotare e riempire exnovo la caldaia alla fme di ogni ciclo lavorativo, si ottengono un liquido di coda e uno o più prodotti di testa (Cacciatore et al., 1981). . In questo caso quindi, liquido e vapore cambiano continuamente di composizione, per cui un ipotetico stato di equilibrio tra di essi si potrebbe verificare solo supponendo di suddividere l'intero processo in istanti infinitesimi. A questo punto si possono prendere in considerazione i due diversi modi con cui si può condurre un processo di distillazione semplice: 1) nella caldaia viene immessa,la miscela liquida L da distillare, avente' fraziòne molare XL nel componente più volatile; il riscaldamento viene effettuato o per mezzo di un serpentino (come nello schemaI1portato nella pagina ' successiva) all'interno del quale passa del vapore surriscaldato, o mediante una doppia camicia nella cui intercapedine circola il vapore riscaldante, oppure anche per riscaldamento diretto come spesso si attua nelle piccole produzioni artigianali. Scaldando il sistema sino alle condizioni di equilibrio date dalla temperatura tI, si svolgono vapori ricchi di prodotto leggero di composizione YD1 che, condensati in E, costituiscono il distillato D; come prodotto di coda si ottiene invece il liquido W di composizione Xw (Cacciatore et al., 1981).
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Schema della distillazione s~plice con immediata asportazione del vapore e relativa curva di ebollizione 30
2) La miscela L di composizione XL, viene immessa in caldaia e portata, mediante riscaldamento, alla temperatura di eq1l.ilibrio tI; si provoca così il formarsi di vapori di composizione YD che vengono asportati e totalmente condensati in E, generando un liquido distillato D, con la medesima composizione dei vapori, come si può notare dallo schema qui di seguito.
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Schema del processo di distillazione semplice con asportazione differenziale dei vapori e relativa curva di ebollizione
In caldaia rimane una fase liquida xw' meno ricca del componente volatile; portando questa fase all' equilibrio, ad una temperatura h>tI, si ottengono dei nuovi vapori di composizione yw' che vengono anch' essi rimossi e condensati totalmente in E, dando luogo al liquido distillato D', che viene raccolto separatamente. Rimane quindi una nuova fase liquida di composizione xw", per la quale si possono ulteriormente ripetere le operazioni sopra descritte sino ad ottenere, come residuo nella caldaia, la frazione di coda meno volatile, W (Cacciatore et al., 1981). Con questo processo si ottengono due frazioni: una di testa più volatile e una di cuore con volatilità intermedia e come residuo in caldaia, una frazione di coda che tende al componente meno volatile, quasi puro. La tecnica della distillazione semplice, viene ampiamente utilizzata nell'ambito della produzione dei distillati e soprattutto della grappa in quanto, essendo la vinaccia una matrice solida, non è possibile distillarla in modo continuo; inoltre date le caratteristiche di stagionalità di questa produzione strettamente legata al periodo della vendemmia, risulterebbe oneroso ed economicamente poco conveniente gestire impianti più complessi e di portata superiore. Gli impianti usati nella distillazione semplice, sono costituiti da una caldaia detta anche "cucurbita", nella'quale si carica la materia prima da distillare; da un condensatore ad acqua nel quale si realizza la liquefazione dei vapori e da uno o 31
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più recipienti di raccolta del distillato; il riscaldamento della caldaia può essere realizzato in vario modo: a fuoco diretto, a mezzo di vapore che entra in una camicia che circonda la caldaia stessa o che viene immesso in un serpentino collocato nell'interno della caldaia e immerso nel liquido da distillare, oppure mediante iniezione diretta di vapore in pressione all'interno della massa da distillare, onde favorire un miglior strippaggio dell'alcol e delle sostanze aromatiche, limitando nel contempo i danni derivanti da eventuali surriscaldamenti locali della matrice da distillare; quest'ultimo sistema in particolare, come verrà poi meglio descritto in seguito, risulta essere notevolmente impiegato nell'ambito della distillazione delle vinacce. il condensatore è generalmente fonnato da un tubo a serpentino collocato all'interno di un recipiente dove viene fatta circolare acqua fredda o altri fluidi refrigeranti; il collegamento con la caldaia avviene a mezzo di un tubo detto "a collo di cigno" che permette appunto il deflusso dei vapori dalla caldaia al condensatore. Lo schema qui di seguito mostra proprio l'impianto nella sua totalità (Meloni, 1953).
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ovviare a questo inconveniente, consiste nell' effettuare più distillazioni successive; cioè se si considera ad esempio il caso della distillazione delle vinacce, il primo distillato deve essere reintrodotto in caldaia e sottoposto nuovamente al trattamento, ottenendo così un secondo distillato più ricco nei componenti volatili; tutto ciò va però chiaramente a scapito della praticità e della economicità del processo determinando un notevole incremento dei costi di produzione. Questo tipo di impianto trova quindi un vasto impiego solo nell'ambito delle piccole produzioni artigianali e casalinghe in cui il livello produttivo è sempre notevolmente ridotto e che operano spesso anche ai lnniti della legalità. Con la tecnica della deflemmazione invece, è possibile mettere in pratica le condizioni operative descritte al punto 2, attuando cioè, la condensazione differenziale dei vapori; si può quindi così ottenere un arricchimento del distillato nei componenti volatili senza dover necessariamente ricorrere alle distillazioni successive. Dal punto di vista tecnologico, questo processo si realizza in impianti fondamentalmente simili a quello rappresentato sopra; l'unica differenza è rappresentata dalla presenza di un piccolo condensatore a fascio tubiero collocato sulla sommità della caldaia (duomo), come si può notare dallo schema riportato qui di seguito (Meloni, 1953).
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Schema di un impianto di distillazione semplice senza deflemmatore per il riflusso in testa dei vapon.
In base a quanto è stato esposto al punto 1, con questo tipo di impianto, in cui i vapori che si originan0 dalla caldaia vengono immediatamente separati dal liquido e condensati, si verifica sempre una diluizione dei componenti volatili della miscela di partenza e l'entità di tale diluizione è direttamente proporzionale alla quantità di distillato che si vuole produrre. L'unico modo per 32
Schema di un impianto di differenziale dei vapori.
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con deflemmatore per la condensazione
Con il termine deflemmazine, si intende quindi l'operazione di arricchimento dei vapori, in componenti voltili, ottenuta separando, per condensazione parziale (o differenziale), i componenti meno alcolici più alto bollenti (costituenti la cosiddetta fleÌnma) da quelli più ricchi di etanolo e composti volatili, ottenendo una frazione ad alto grado alcolico detta invece spirito (Meloni, 1953). L'efficienza di questo processo è strettamente correlata alle caratteristiche ed alle dimensioni del condensatore posto sulla sommità della caldaia detto appunto deflemmatore; infatti la superficie di scambio termico e la quantità di acqua refrigerante impiegata per la condensazione parziale· dei vapori, influiscono sul cosiddetto rapporto di riflusso, cioè la frazione di liquido, derivante dalla condensazione parziale dei vapori, che ritorna in caldaia. Impianti di questo tipo trovano un più vasto impiego anche presso aziende con maggiori potenzialità produttive, in quanto, con un solo trattamento, è possibile subito ottenere un distillato di discreto pregio. La problematica comunque insita nell'impiego delle tecniche di distillazione semplice, riguarda la difficoltà nel controllare l'entità dell'inevitabile contaminazione dei distillati da parte del metanolo; infatti a questo proposito risulta fondamentale l'abilità degli operatori nel saper effettuare i giusti scarti delle frazioni di testa, notoriamente più ricche in metano lo, evitando però, di causare, nel contempo, gravi perdite di preziosi compone;nti aromatici. La problematica del metano lo può comunque essere affrontata anche dal punto di vista nnpiantistico, migliorando l'efficienza della separazione mediante distillazione con l'impiego delle tecniche di rettifica che verranno ora prese in esame.
La distillazione per rettifica o con riflusso Questo metodo è ampiamente utilizzato in impianti dotati di potenzialità elevata che trattano grandi quantità di materia prima e che sono adibiti non solo alla produzione di grappa, ma anche di altri distillati. La distillazione per rettifica, implica una successione di stadi di equilibrio in controcorrente, in modo tale che ogni stadio successivo contiene, rispetto a quello precedente, un liquido sempre più arricchito nel componente volatile e la temperatura, costante per ogni stadio, decresce man mano che si passa dal primo all'ultimo di essi (Cacciatore et al.~ 1981). Latecnica della distillazione per rettifica o con riflusso, si basa sul principio della distillazione e condensazione frazionata, secondo il quale, "la composizione dei vapori liberati da una miscela al suo punto di ebollizione, è diversa da quella della miscela liquida in equilibrio con detti vapori" (regola di Konowaloff); questo princio può essere spiegato tramite la curva di ebollizione, relativa ad una miscela binaria, riportata qui di seguito (pasquetto et al., 1990): p = Cost
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Curva di ebollizione di una miscela binaria sottoposta a distillazione frazionata
Seguendo il grafico e supponendo quindi di avere un'ipotetica miscela binaria di composizione iniziale XN, portandola alla temperatura di incipiente ebollizione tI, essa produce dei vapori la cui composizione è YN ; in questo modo la composizione del liquido tenderà ad arricchirsi nel componente meno volatile e di conseguenza aumenterà la temperatura di ebollizione. 34
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Continuando a scaldare il nuovo liquido formatosi, si arriverà alla temperatura Ì2 in corrispondenza della quale distilleranno le ultime gocce di liquido. Supponendo ora di condensare separatamente le prime dosi di vapore che hanno composizione"YN e di ridistillarle a parte, si otterrà una frazione infinitesima YN' che, ricondensata separatamente e nuovamente ridistillata, darà dei vapori sempre più ricchi nel componente A; cosÌ proseguendo, si arriverebbe teoricamente ad ottenere il componente più volatile A allo stato puro. Occorre osservare però che la quantità di prodotto A che si potrebbe ottenere in questo modo, risulterebbe infrnitesima; quindi, ai fini industriali, l'operazione non risulterebbe applicabile; nella pratica però, il processo viene avviato alla temperatura tI e portato avanti fino ad una temperatura tp intermedia tra tI e t2, ottenendo si cosÌ un vapore di composizione media Yp ed un liquido residuo di composizione media Xp (come si può osservare dal grafico). Operando in questo modo, l'arricchimento in componente volatile del vapore risulta inferire all'analogo arricchimento ottenibile operando come nel modo precedente, con una resa in peso che è, però, di gran lunga superiore. Condensando poi i vapori Yp e ridistillandoli sino alle condizioni di equilibrio date dalla temperatura tpI, si hanno dei nuovi vapori di composizione YPl ed un liquido residuo di composizione XPI; si può cosÌ proseguire allo stesso modo di prima, fino ad ottenere il prodotto A allo stato quasi puro (Cacciatore et al., 1981). Quindi tutti gli stadi di equilibrio in cui si suddivide un processo di distillazione frazionata, rappresentati dalle rette tratteggiate che uniscono la curva del liquido. alla curva del vapore nel diagramma di ebollizione, possono essere visti come tanti singoli processi di distillazione semplice che si susseguono in serie, ognuno dei quali avviene a temperatura costante. Osservando lo schema, riportato nella pagina seguente, si può notare che in controcorrente rispetto ai flussi del vapore, ci sono i flussi del liquido che costituisce il riflusso, infatti questa tecnica di distillazione viene anche detta "per riflusso". Questo schema di impianto è però soltanto ipotetico, infatti nella realtà, il processo di distillazione frazionata si realizza impiegando apparecchiature molto più semplici e dalle dimensioni sicuramente più contenute, quali le colonne da distillazione a piatti (o di rettifica). Costruttivamente, tali colonne sono costituite essenzialmente da un tubo di dimensioni variabili all'interno del quale sono collocati, equidistanti tra loro, un numero variabile di dischi metallici forati denominati appunto piatti, come si può notare dalla figura riportata nella pagina successiva. \
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Schema esemplificativo di un ipotetico impianto per la distillazione frazionata
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Particolare indicativo dei' piatti forati e del loro funzionamento si p'ossono notare anche le canalette laterali che consentono la discesa in controcorrente del liquido di riflusso.
Ogni piatto può essere accomunato ad un piccolo distillatore semplice nel quale si viene a stabilire un equilibrio, tra liquido e vapore, proprio come nello schema riportato sopra. La caratteristica fondamentale di queste colonne dette appunto colonne a piatti forati, è quella di mantenere, su ogni piatto, durante l'esercizio, una quantità costante di liquido la cui discesa è impedita proprio dalla pressione esercitata dal flusso di vapore che sale; in questo modo si verifica sempre un intimo contatto, tra liquido e vapore, tale da garantire il mantenersi degli stati di equilibrio. 37
L'unico inconveniente è rappresentato dal fatto che esse sono dimensionate e realizzate per lavorare sempre con la stessa quantità di materia prima~ infatti, per quantità inferiori, il flusso di vapore prodotto non è in grado di mantenere la pressione neeessaria per impedire la libera discesa del liquido da ogni piatto; quindi, tali colonne, non possono essere impiegate per produzioni discontinue e incostanti come la grappa, ma sono più idonee alla lavorazione di materie prime che pervengono alla distilleria con maggior continuità e costanza, come ad esempio il vino per la produzione del brandy (Meloni, 1953). Esistono comunque degli stratagemmi per garantire il funzionamento delle colonne a piatti anche in condizioni di discontinuità di esercizio e di incostanza di apporto della materia prima. Uno di essi (il più usato) consiste nel coprire i fori di ogni piatto con delle campanelle forellate di diversa forma in modo da garantire l'unidirezionalità del flusso di vapore impedendo però, nel contempo, il deflusso del liquido; la figura riportata qui di seguito, serve proprio a chiarire quanto appena detto riguardo al funzionamento delle campanelle.
Nella pratica il numero di piatti effettivi si calcola mediante la curva di equilibrio, sulla cui costruzione si è già parlato Jn precedenza, come viene rappresentata qui di seguito.
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Curva di equilibrio per la determinazione del numero dei piatti di una colonna da rettifica.
Particolare della sezione di una colonna a piatti con campanelle, sono visibili i flussi del vapore costretto dalla campanella ad andare a gorgogliare nella massa liquida sul piatto.
Ad ogni modo, il corretto dimensionamento della colonna, in funzione delle caratteristiche compositive del prodotto e della quantità di materia prima da trattare, rimane di fondamentale importanza per il buon esito di un processo di distillazione per rettifica; infatti dimensionare una colonna da distillazione significa, ricavare il numero effettivo di piatti necessari per separare i componenti della miscela iniziale considerando la sua composizione e la composizione dei prodotti finali, tenendo sempre conto del fatto che, ognuno di essi, rappresenta un ben determinato stadio di equilibrio. 38
TI grafico così disegnato, viene anche denominato diagramma a scalini e ogni piccolo triangolo rettangolo (ogni scalino), rappresenta uno stadio di equilibrio; quindi il numero di scalini determina il numero effettivo di piatti della colonna. Nel grafico si possono inoltre notare due rette inclinate che si intersecano tra loro e che costituiscono la base di tutti i triangoli rettangoli; il loro significato, nell'ambito della progettazione di una colonna da rettifica, è molto importante in quanto esse detenninano le condizioni operative delle due sezioni o tronchi in cui si suddivide la colonna stessa (Cacciatore et al., 1981). Infatti, nelle colonne di rettifica funzionanti in continuo, l'alimentazione, cioè il liquido da distillare, avente una composizione iniziale e caratteristiche termiche ben determinate, Viene introdotta in corrispondenza del piatto in cui si realizzano le medesime condizioni di equilibrio dell' alimentazione stessa~ quindi la sezione della colonna al di sopra del piatto di alimentazione, prende il nOlne di tronco di arricchimento (1'arricchimento è riferito al componente più volatile) e ad essa compete la retta superiore di lavoro, mentre la sezione sottostante al piatto di alimentazione prende il nome di tronco di esaurimento e ad essa compete la retta inferiore di lavoro. Ovviamente cambiando l'inclinazione reciproca delle due rette, cambia il loro punto d'intersezione e conseguentemente cambia anche il numero dei piatti che costituiscono ciascuno dei due tronchi; in pratica tutte le 39
proprietà geometriche delle due rette di lavoro, quindi anche la loro inclinàzione reciproca, dipendono strettamente dalle condizioni termiche e compositive dell' alimentazione; ciò dimostra l'importanza di alimentare queste colonne in modo continuo con un liquido che presenti sempre le medesime caratteristiche compositive. Nell'ambito della produzione dei distillati, l'esempio più significativo di processo continuo, è rappresentato sicuramente dalla produzione del brandy. Infatti, come è noto, la materia prima di partenza è costituita dal vino che presenta delle buone caratteristiche di omogeneità compositiva e può pervenire con continuità all'impianto di distillazione. Gli apparecchi per la distillazione continua, inoltre, si prestano bene al ricupero del calore che andrebbe altrimenti perduto, il quale viene invece utilizzato per il preriscaldamento della materia prima da trattare, a mezzo di oppo~ ricuperatori di calore, detti appunto scaldavini.; nei quali si verifica la condensazione dei vapori uscenti dalla colonna, mediante la cessione del loro calore latente di evaporazione/condensazione al liquido di alimentazione. (Meloni, 1953). Qui di seguito è riportato lo schema di un impianto da distillazione continua industriale per la produzione delle acquaviti di vino.
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Come si può vedere, rimpianto è dotato di due colonne di rettifica: una per l'arricchimento (costituita da due tronchi di diverso. . diametro denominati C e D) e la separazione delle teste e l'altra per l'esaurimento dei prodotti di coda provenienti dalla prnna colonna; si può notare anche lo scaldavino denominato con la lettera B. Con questo sistema si distillano bene vini a 8-10° alcol e si ottengono distillati, per acquaviti da invecchiamento, a 65-70° alcol ed oltre; la potenzialità produttiva si aggira intorno ai 5-10 ettanidri al giorno (Meloni, 1953). Nell' ambito della produzione delle acquaviti di vinaccia o grappe, invece, si impiegano solo impianti da distillazione discontinui. Le differenze principali rispetto agli impianti continui, constano nel differente metodo di carico della lniscela da distillare che, in questo caso, viene introdotta in un ribollitore che può trovarsi o alla base della colonna oppure distaccato da essa. Lo schema riportato qui di seguito, descrive a grandi linee il funzionamento di un impianto discontinuo; è interessante notare che la colonna funziona come la sezione di arricchimento di una colonna continua; quindi, per il calcolo del numero di piatti, si utilizza il diagramma a scalini con la sola retta superiore di lavoro. In questo caso però, l'inclinazione della retta, che va a determinare il numero effettivo di piatti, è funzione diretta del rapporto di riflusso ottenibile mediante la parziale condensazione dei vapori provenienti dall' apice della colonna (Cacciatore et al., 1981).
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Schema tecnico dell'impianto di distillazione continua Gianazza, tipo ''F.G'' per acquaviti di vino (cognac o arzenti). 40
Schema generico di un distillatore discontinuo e relativa curva a scalini per la determinazione del numero di piatti.
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In tutti gli impianti di questo tipo, quindi, le caratteristiche ed il funzionamento del ribollitore di base, giocano un ruolo fondamentale dal punto di vista qualitativo e qu.antitativo della produzione. Costruttivamente essi si possono dividere in dbe categorie: ribollitori a vinacce "immerse" e ribollitori a vinacce "emerse"; nei primi, alla vinaccia che viene introdotta al loro interno, viene successivamente aggiunta acqua fmo ad iImnergerla completalnente; quindi dopo aver chiuso ermeticamente la bocca di carico, si procede al riscaldamento che in genere avviene o per fuoco diretto oppure mediante camicia di vapore; i vapori che si originano subiscono poi una prima parziale deflemmazio~e all'apice del ribollitore (duomo), per poi essere convogliati, mediante un tubo di raccordo, alla base della colonna dove vengono distillati (Meloni, 1953). Il principale inconveniente associato però all'impiego di questa soluzione impiantistica, che la rende peraltro assai poco impiegata in ambito industriale, riguarda l'impossibilità di controllare adeguatamente la quantità di calore fornita alla massa di vinaccia; ciò comporta innanzi tutto lunghi tempi di attesa per il . raggiungimento della temperatura di ebollizione, il che va a scapito dell'economicità del processo, ed in secondo luogo l'inevitabile verificarsi di surriscaldamenti localizzati della matrice con conseguente bruciatura delle vinacce e formazione di composti empireumatici e di furforolo (o. aldeide furfurilica) dall'odore e sapore sgradevoli, che contaminano le acquaviti (Meloni, 1953). Di uso ben più comune nell'industria risultano essere invece i ribollitori a vinacce emerse; in essi la massa di vinaccia da distillare viene disposta a strati, su degli appositi supporti in rete metallica, in modo che non vi sia contatto della stessa con l'acqua che si trova nella parte bassa del ribollitore; in questo modo, il calore fornito, serve a portare all'ebollizione l'acqua in modo tale che il vapore attraversa gli strati di vinaccia operando lo strippaggio dell'alcol etilico e di tutti i composti volatili; con questo sistema, oltr~ ad essere totalmente scongiurati tutti i danni da surriscaldamento locale, si permette un passaggio più uniforme al vapore acqueo, evitando l'insorgere di vie preferenziali per esso con conseguente minor estrazione di sostanze aromatiche; inoltre si ottiene un considerevole risparmio energetico, in quanto risulta più facile controllare la quantità di calore impiegata per la produzione di vapore. Nella figura riportata nella pagina successiva, è rappresentato un ribollitore a
vmacce emerse. Come si può vedere esso è costituito da due parti separate da un falso fondo bucherellato: nella parte superiore sono collocati i supporti in rete metallica per la vinaccia, mentre nella parte inferiore è contenuta l'acqua per la produzione 42
del vapore; è interessante notare che gli strati di vinaccia, supportati dalle reti metalliche, si comportano praticamente come i piatti forati di una colonna da rettifica; quindi, oltre allo strippaggio dei composti volatili, si ottiene anche una iniziale e parziale separazione dalle flemme (Meloni, 1953).
Rappresentazione dell'apparecchio Comboni a vinacce emerse.
Esistono anche delle varianti dell'apparecchiatura ora descritta, che SI differenziano principalmente per il modo con cui viene fornito il vapore al sistema; esse utilizzano dei generatori di vapore esterni che comunicano con il ribollitore, in cui sono contenute le vinacce, mediante dei tubi resistenti alla pressione; in questo modo il vapore che attraversa le vinacce, possiede un maggiore quantitativo di energia e riesce a strippare meglio i composti volatili; inoltre risulta più semplice controllare il livello dell' acqua nella caldaia evitando . che vada a secco. Un;altra variante invece, sfrutta l'effetto combinato del riscaldamento diretto, mediante bagnomaria in cui è immerso parzialmente il ribollitore, e dell'iniezione di vapore in pressione, onde limitare i consumi energetici (De Rosa et al., 1994). Gli inconvenienti che si possono comunque avere, utilizzando queste apparecchiature, riguardano il pericolo che si verifichino fenomeni di sovrapressione dovuti alla possibilità che la vinaccia ostruisca il passaggio del vapore; ciò può essere comunque evitato, avendo cura di introdurre, nel ribollitore, il 'giusto quantitativo di vinaccia evitando che la massa della stessa si comprima eccessivamente. Le apparecchiature dotate di generatore di vapore esterno, presentano, comunque, elevati costi di realizz~ione e di gestione, per cui esse trovano impiego soprattutto presso impianti dotati di elevata potenzialità produttiva. 43
Ad ogni modo, la problematica principale associata alla produzione delle acquaviti di vlnaccia, riguarda la difficoltà di velocizzare i processi di distillazione, onde ridurre il periodo di insilaggio delle vinacce stesse durante il quale, si' verlfica la massima produzione di metanolo e di composti aromatici indesiderati; a tale scopo, la soluzione impiantistica più valida consiste nell'utilizzare tre o più ribollitori collegati in serie in modo che, i vapori idroalcolici che si sviluppano in uno qualsiasi di essi, prima di essere inviati alla colonna di distillazione, sono fatti passare in tutti gli altri ribollitori meno uno, il quale deve essere sempre aperto per cons~ntire lo scarico della vinaccia esausta ed il carico di quella fresca con una certa continuità. Occorre comunque precisare. che non si tratta di "continuità~~ nel senso di introduzione continua nell' apparecchio della materia prima da distillare ed estrazione continua del distillato, ma piuttosto di esaurimento metodico della materia prima posta in ~stillazione in più caldaie (Meloni, 1953). Lo schema, riportato nella pagina seguente, mostra un impianto con ribollitori in . serie, nel suo insieme. Osservando la figura si può facilmente intuire il funzionamento dell' apparecchiatura: la vinaccia viene innanzitutto caricata su ciascuno dei tre panieri dei ribollitori a vinacce emerse, i quali vengono poi chiusi ermeticamente con le apposite viti di pressione; successivamente si invia il vapore diretto che, proveniente dal tubo K, entra, dal basso, in ogni ribollitore; a questo punto, agendo su uno dei rubinetti a tre vie indicati con le lettere r, s o t, si aziona una coppia di ribollitori mentre , . nel terzo, non ancora azionato, si completa l'operazione di carico della vinaccia; i vapori idroalcolici, che si sviluppano quindi nei due ribollitori in esercizio, defluiscono nel tubo collettore V dal quale entrano succe~sivamente nel terzo tronco della colonna deflemmatrice D (Meloni, 1953). ' ,Dal pUBto di vista puramente quantitativo, l'impianto ora 'descritto può distillare fino a 150q di vinaccia al giorno e nello stesso tempo, può produrre da 4 a 5 ettanidri di acquavite, corrispondenti circa a 8-10 ettQlitri di grappa a 50° alcol (considerata una resa della vinaccia del 3% circa), al girno (Meloni, 1953). ' Esistono cOlpunque molti altri tipi di impianti per la distillazione delle vinaccie che, pur impiegando accorgimenti impiantistici differenti, si basano fondamentalmente sugli stessi principi di funzionamento ora descritti. Occorre comunque sottolineare il fatto che, per produrre una buona grappa, non basta disporre solo di un buon sistema di distillazione oppure di vinacce di pregio, ma bisogna saper combinare sapientemente le due cose; cioè saper
scegliere le vinacce migliori e saper gestire con coerenza e razionalità l'impianto, piccolo o grande che sia.
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Schema completo di un impianto di distillazione a ribollitori in serie tipo Erba,
La distillazione della vinaccia
particolare con elevate dosi di alcol etilico, non si verificherà l'evaporazione della stessa ai suddetti 21 DC e analogamente non occorrerà che vengano raggiunti i 130 DC per la distillazione degli alcoli amilici (De Rosa, 1994). In definitiva quindi, ad opera delle interazioni chimico fisiche che si verificano tra i componenti di una miscela acqua-alcol, derivante da un processo di fermentazione naturale, il passaggio nei vapori, delle sostanze volatili disciolte in essa, non si effettua secondo un ordine prioritario di volatilità, ma bensì secondo la tensione di vapore che si crea al variare della solubilità delle diverse sostanze in funzione della gradazione alcolica della soluzione. Il particolare comportamento dei diversi composti volatili in soluzione alcolica, fu studiato dal Barbet, che, sulla base dei risultati ottenuti da numerose prove condotte su soluzioni alcoliche di tali composti a diverse concentrazioni, introdusse un coefficiente detto di "purificazione' indicato con K, che spiega il comportamento dei vari composti volatili in funzione del grado alcolico della soluzione in cui sono disciolti. Il grafico riportato qui di seguito mostra appunto l'andamento della relazione tra il coefficiente K ed il grado alcolico per un . determinato gruppo di sostanze volatili:
Fino ad ora, si è focalizzata l'attenzione principalmente sui fondamenti teorici della distillaiione e sulle tecnologie impiantistiche applicate alla produzione dei distillati; risulta ora interessante, completare la trattazione, prendendo in considerazione, tutti i fenomeni che si verificano durante il processo di distillazione della vinaccia. A tale scopo occorre innanzitutto ricordare che la vinaccia è costituita da un insieme di sostanze, dalla cui azione combinata dipendono in maniera decisiva le caratteristiche organolettiche della grappa, aventi differente volatilità e quindi anche differenti punti di ebollizione; quindi, la loro quantità relativa, nel distillato, dovrebbe essere funzione esclusivamente di questo parametro chimico fisico, dato che, dalla teoria della distillazione, si è appreso che la separazione dei componenti di una miscela liquida avviene principalmente in funzione della loro differente volatilità e quindi dei loro punti di ebollizione. Studi precedenti (Riponi et al., 1991), condotti sui distillati di vino, hanno dimostrato invece che, nelle frazioni di testa, oltre alla presenza dell'aldeide acetica che è un composto molto volatile (punto di ebollizione pari a 21 DC), si trovano anche quantità considerevoli di alcoli amilici il cui punto di ebollizione si aggira intorno ai 130 DC, addirittura superiore a quello dell' acqua; inoltre è stato rilevato che, la quantità di "non alcor' (la quota complessiva di composti presenti nelle diverse frazioni, ad eccezione dell' alcol etilico), varia nettamente in funzione delle frazioni in cui viene determinata. Questo infatti viene distillato praticamente solo nelle primissime frazioni, nel caso in cui l'etanolo sia presente in maggiore quantità; al contrario, quando la materia prima è meno alcolica, la distillazione delle sopracitate sostanze perdura un intervallo di tempo più lungo (Camacini et al., 1993). Tutto ciò può essere spiegato considerando l'effeto di trascinamento (effetto entrainer) indotto dall'alcol etilico sui singoli composti volatili e influenzato sia dal suo contenuto nella materia prima che dalla cinetica del processo di distillazione (Camacini et al., 1993). La distillazione di una miscela di sostanze volatili, quindi, non avviene in funzione diretta dei loro diversi punti di ebollizione, ma bensÌ ad una temperatura che avrà un minimo ed un massimo entrambi influenzati dal grado di solubilità delle sostanze stesse nonché dal tipo di sostanze presenti in maggiore quantità (Antonelli et al., 1990); per cui, essendo l'aldeide acetica e gli alcoli superiori presenti in soluzione insieme con altre sostanze, ed in
Grafico delI' andamento di K in funzione del grado alcolico per un gruppo di composti volatili
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Dallo studio di questo grafico si possono trarre delle importanti considerazioni, sul comportamento delle diverse sostanze volatili in fase di distillazione; ciò consente di migliorare l'efficienza degli impianti di distillazione, sia artigianali che industriali, relativamente ad una maggior capacità degli stessi a frazionare i diversi componenti volatili, al fine soprattutto di poter scartare, nel momento della loro massima concentrazione possibile, quelli ritenuti indesiderabili. In base ai valori che può assumere K, si può dedurre che: quando K è uguale a 1, sussiste la stessa percentuale di impurezze sia nel liquido che nei vapori (difficile separazione); per K maggiore di 1, si ha che i vapori sono più ricchi di impurezze rispetto al liquido, per cui per valori corrispondenti a 2 o 3, significa che quella determinata sostanza è presente nei vapori in concentrazioni di 2 03 volte maggiri rispetto alla sua concentrazione nel liquido ~ infine quando K e minore di 1, significa che l'impurezza si concentra nel liquido e quindi costituisce un prodotto di coda. TI caso più importante, soprattutto nell' ambito soprattutto dei distillati c;li vinaccia, di applicazione del concetto di coefficiente di purificazione, riguarda l'alcol metilico, esso infatti, al variare della gradazione alcolica, presenta un valore di K che ben poco si discosta da 1, per cui anche ad alte gradazioni è difficile separarlo in prima distillazione quale prodotto di testa. Questo comportamento, in generale, è tipico di tutte quelle sostanze che vengono definite impurezze "ibride", dato che si possono trovare tanto nelle frazioni di testa quanto in quelle di coda (De Rosa, 1994). Si possono ora trarre .delle importanti considerazioni riguardanti il comportamento distillatorio dell'alcol metilico e degli alcoli superiori, in relazione alle tecniche di distillazione prospettate in precedenza: a vinacce immerse ed a vapore diretto. In base a ricerche precedentemente effettuate, a tal riguardo, si può rilevare che: mentre l'andamento della variazione del grado alcolico e del quantitativo di alcol metilico nel tempo, ,nòn presenta sostanziali differenze tra le due tecniche, la variazione del quantitativo di alcoli superiori, nelle diverse frazioni, presenta differenze sostanziali; in particolare, con la distillazione a vinacce immerse, la concentrazione di alcoli superiori raggiunge il massimo inizialmente in corrispondenza delle prime frazioni di testa (60-75° alcol) e successivamente in corrispondenza delle ultime frazioni del cuore (4050° alcol); inoltre, la distribuzione dei diversi alcoli, nelle suddette frazioni, dipende dalla lunghezza della catena alchilica: le prime frazioni sono costituite prevalentemente da n-propanolo e i-butanolo, lnentre quelle successive contengono prevalentemente n-esanolo: Nella frazione intermedia della distillazione (cioè quella a gradazione alcolica massima), è stato rilevato invece
il minimo contenuto di alcoli superiori. Nel caso della distillazione a castelli con vapore diretto (a vinacce emerse), la concentrazion~ di alcoli superiori presenta invece, un unico picco massimo che risulta essere diversamente posizionato, in corrispondenza delle frazioni a gradazione alcolica medio - bassa, in funzione della gradazione massima centrale: quanto più essa è elevata, tanto più il picco massimo risulta spostato verso le frazioni di coda (Avancini et al., 1977). TI metanolo, che come si è già detto in precedenza, si comporta sempre allo stesso modo, indipendentemente dalla tecnica di distillazione adottata, si mantiene su valori di concentrazione. praticamente costanti durante tutto il processo (Avancini et al., 1977). In conclusione quindi, si può dedurre che il problema della riduzione del quantitativo di composti di testa, nelle grappe ottenute con tali impianti, si presenta di difficile soluzione poiché si potrebbe intervenire, eventualmente, solo sulle primissime frazioni distillate; d'altra parte, eventuali simili operazioni dovrebbero, se effettuate, poter incidere sul contenuto globale di alcoli superiori presenti solitamente nella massa grezza finale, ma devono soprattutto tenere conto del comportamento distillatorio di altri componenti, essenziali all'aroma della grappa, quali ad esempio gli esteri, che hanno una minor so glia di percettibilità rispetto agli alcoli superiori (Avancini et al., 1977). In pratica, quindi, l'allontanamento delle teste, effettuato soprattutto nell'ambito delle piccole produzioni artigianali· principalmente a causa del metanolo, porta unicamente ad una forte attenuazione della caratterizzazione aromatica dei distillati, poiché è in questa frazione che si accumula la maggior concentrazione di composti volatili (Carnacini et al., 1993). In ambito industriale invece il problema "metanolo",viene affrontato, in modo più razionale, impiegando soluzioni impiantistiche diverse il cui funzionamento si basa sugli studi effettuati dal Barbet, nel 1888 relativamente al processo di "pastorizzazione" o separazione delle teste. TI principio di funzionamento di questo sistema, consiste nella riebollizione violenta del liquido di retro gradazione , che rientra alla sommità di una colonna di rettifica, allo scopo di liberarlo dai prodotti di testa e nel' estrazione del prodotto finale (alcole purificato) dal liquido bollente in uno dei piatti superiori della colonna stessa e non dal condensatore di riflusso. In pratica Barbet, sfruttando le proprie conoscenze sul comportamento del metanolo quale "ibrido", pensò di sottoporre a distillazione il liquido di riflusso; infatti il metanolo si comporta da prodotto di testa solo a gradazioni alcoliche elevate (circa 90 0 alcol), per cui può essere separato solo da tale liquido che, estratto dalla sommità della colonna ha appunto una gradazione elevata.
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Lo schema qui riportato, mostra l'apparecchio realizzato da Barbet per effettuare la "pastorizzazione~~.
PARTE SPERIMENTALE Scopo della tesi
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L'evoluzione del mercato dei super alcolici, in questi ultimi anni, è stata caratterizzata dalla ricerca di un miglioramento della qualità che ha trovato, soprattutto nel settore dei disti11ati di vinaccia e di uva, la sua massima espressione, orientandosi verso la ricerca di prodotti sempre più elaborati sotto il profilo aromatico e sensoriale. Nella presente indagine si è valutata l'influenza, sulla composizione in elementi volatili (alcoli superiori ed esteri) di disti11ati di vinaccia, esercitata da 5 ceppi di lievito selezionati, inoculati su vinacce vergini CV. Trebbiano e confrontati con la flora microbica ambientale (ceppo testimone). Come è noto, l'effetto organolettico apportato dal complesso di tali composti può incidere notevolmente sulle caratteristiche del1a vinaccia fermentata e quindi sulla composizione aromatica del prodotto finito.
Dispositivo Barbet di pastorizzazione per la separazione delle teste.
il funzionamento di tale dispositivo può essere spiegato in questo modo: i vapori idro alcolici che dal basso giungono nella parte più alta della colonna C, entrano nel condensatore D dove si liquefano quasi totalmente e dopo essersi raccolti nella parte inferiore del medesimo, rientrano in colonna tramite il tubo a, in corrispondenza del primo piatto superiore, come liquido di retro gradazione necessario alla funzione rettificatrice della colonna stessa; i vapori residui passano, tramite il tubo b, dal condensatore D al refrigerante E dove sono totalmente condensati; tale liquido che rappresenta appunto la frazione di testa separata, . può. andare direttamente, tramite il tubo c, alla provetta delle teste T, oppure può essere in parte inviato tramite b come retro gradazione in colonna (Meloni, 1953). Simili apparecchiatura però, possono essere abbinate solo ad nnpianti dotati di grande potenzialità produttiva, che peraltro sono poco diffusi nell'ambito nazionale, dove prevalgono invece le piccole produzioni artigianali che, d'altra parte, concorrono a salvaguardare le tradizioni legate al prodotto "grappa" e che quindi non potranno mai essere trasformate in grosse realtà industriali. 50
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CEPPO 6392
Materiali e metodi
:- Identità: Saccaromyces cerevisiae, razza fisiologica cerevisiae Sono state impiegate vinacce di uva CV. Trebbiano a maturazione industriale (lO-lI ° alco!) raccolte immediatamente dopo pressatura e suddivise in 6 kegs da 9 litri, in 5 dei quali è stato effettuato l'inoculo con ceppi di lievito selezionati provenienti dalla collezione DI.PRO.V.A.L. (Università di Bologna); il sesto keg , invece, è stato lasciato aperto all'aria in modo da fare attecchire la microflora di lieviti dell' ambiente (ceppo testimone). Le prove di fermentazione della vinaccia sono state effettuate in doppio. L'inoculo è stato effettuato aggiungendo, in ogni keg, 100 mI di precoltura di 3gg; si è chiuso poi il coperchio a tenuta e si è sottoposto il tutto ad agitazione per omogeneizzare la massa che è poi stata lasciata a riposo per 15gg. In seguito sono stati prelevati da ogni keg, 600g di vinaccia fermentata e trasferiti in sacchi posti immediatamente in congelatore e conservati ad UIJ.a temperatura di -20°C in attesa di essere analizzati. La restante quota di vinaccia (circa 3 Kg) contenuta ancora nei kegs è stata a sua volta suddivisa e posta in due sacchetti contenenti circa 1,5 Kg di vinaccia ciascuno, posti anch' essi in congelatore in attesa di essere distillati. Le caratteristiche dei diversi ceppi di lievito impiegati per la fermentazione, sono riportate qui di seguito:
- Caratteri tecnologici:
dotato di molto vigore, presenta un ottimo avvio di - ;Jermentazione a 20°C e mantiene un decorsò moderato e regolare anche a 15°C. •-, -Ha una capacitàalcoligena superiore a 14° alcol; è resistente a concentrazioni di 100 mglL di'S02; ha sviluppo polver:ulento e non schiumogeno.
- Caratteri di qualità:
produce basse quantità di acido acetico e quantità medio alte di S02; non produce idrogeno solforato; produce alte quantità di npropanolo. ' ,CEPPO 12233 '
..; Identità: Saccaromyces cerevisiae, razza fisiologica uvarUlfl, ~d~:Caratteri
tecnologici: ' fernienta bene a temperature èòmprese fra 5 e 30°C: a ,temperature inferiori a 18°C superano in energia di fermentazione i ceppi normali di Saccaromyces; a temperature superiori non presentano diversità di VIgore.
Hanno capacità alcoligena superiore a 14° alcol; sono resistenti a concentrazioni , 'fdi 100 ,mgIL ,di S02; presentano sviluppopolverulento e non schiumogeno -
CEPPO 7833 2c
;.. Caratteri di 'qualità:
produce bassissime quantità di acido acetrco;medio ,. basse quantità di idrogeno solforato; bassissime quantità di S02. Produce però quantità elevate di glicerolo e di acido succinico (mediamente 0,5 gIL in più rispetto ai normali cerevisiae), in funzione anche dàgli zuccheri presenti' nel ,mosto; sintetizza l'acido malico in' maniera variabile in~funzione della .' concentrazione iniziale di tale acido: tanto più è basso il 'suo quantitativo i. iniziale~ tanto maggiore è bi sintesi. .
- Identità: Saccaromyces cerevisiae, razza fisiologica cerevisiae derivante da coltura da singola spora del ceppo eterozigote 7833.
- Caratteri tecnologici: buon livello di energia fermentativa e alcol tolleranza. Capacità di portare a termine rapidamente la fermentazione. Le cellule però autolisano velocemente quindi è fondamentale utilizzar€ precolture fresche. Ha una capacità alcoligena superiore a 14° alcol, è resistente a concentrazioni di 100 mgIL di S02; ha sviluppo polverulento e non schiumogeno.
- Caratteri di qualità: produce quantità medio alte di acido acetico; quantità medie di idrogeno solforato; quantità medio basse di S02; quantità elevate di ibutanolo e medie di glicerolo, acido succinico e degli altri alcoli superiori. Provoca una blanda fermentazione maloalcolica demolendo circa il 10% dell'acido malico del mosto.
Prùducè però una quantità maggiore di composti secondari,' con conseguente '. (riduzione della resa alcolica (3-5%). 'Questo; ceppo produce anche- elevatissime quantità, di - 2-feniletanolo (mediamente 300 mgIL contro i 20~30 mgIL,dei normali cerevisiae) e del suo 'estere. ,-', '
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'CEPPO :2222 L
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Identità: Saccaromyces cerevisiae, razza fisiologicacerevisiae. : .', 53
- Caratteri tecnologici: è dotato di un alto vigore fermentativo; ha una capacità alcoligena' superiore a, 14~ calcol;"hasviluppo;polverulento"'enon schiumogeno. (.'
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'. Caratteri' dicqualità,: produce basse 'quailtità di S02; produce idrogeno solforato; produce 'quantità basse di acido' acetico ed:>è"Ull produttore medio di glicerolo, di acido sue cinico, , di -n-propanolo '~dii~butarrolo;demolisce Faddo malico. r
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(':r ,', '. :CEPPO 6167 • Identità : Saccaromyces cerevisiae, razza fisiologica cerevisiae J
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- Caratteri tecnologici: è dotato di un alto vigore fermentativo;ma lUla dlp'acità alcoligena superiore a 14° alcol; ha sviluppo polverulento enoD. schitiinogeno. : - Caratteri di.qualltà': produce basse 'quantità,diS02;'èproduttòre di idrogeno , , solforato~produee\quantità basse~dLacido'acétiéo: ed acido succinico' ermedio basse ,di glicerolo; è inoltre un grosso ptoduttore di:n:..propanolo.' , È Wl demolitore dell'acido malico. La vinaccia fennentata ~èstàta distillata utilizzando'Wl ,4i$ti11atòre tl~ 'laboratorio in vetro pirex (figura 1) composto da un pallone della capacità di 2 litri (A), da , " una colonna ,.di rettifiea':(B)e,:dà un condensatore a serpentino 'coIlcamicia a 'circolazione fòrzata' di acqua e'glicole (C)collegatoallacolonnarmediante un , :"tubo da raec.ordo,'{D); 'per il riscaldamento' del (pallon~- dà, distillazione è' 'stato 'impiegato'unmantello, riScaldante' da laboratorio' (E); • la temperatura della soluzione 'g1icolata 'è stata mantenuta a -2°,c'mediante una',bagno'termostatico " ,(F) a ricircolazioneRheòterin 115 Contarves.Il çìclo dilavorazioneadottato è stato il seguente: sono stati introdotti nel pallone' da distillazione 600g di. vinaccia pesati eonla'bilancia tecnièa e 400 mI diàcquadi fonte (rubinetto), in modo da immergere completamente l'intera: massa, dellavinaccia: È stato poi azioriatòi1 mantello riscaldante~ :regolato innrodo da'impedire la bruciatura della \; ,vinaceia.e l ':avvio di Wla .ebollizione troppo tumùltuosa: ,', Si sono così ottenuti 100 mI di distillato a basso grado (circa 10° alcol), che è stato poi a sua volta distillato nel medesimo apparecchio effettuando il frazionamento delle teste e dei cuori Cl mI di teste e 20 mI di cuore, a 809 alcol): Le frazioni ottenute sono state in seguito sottoposte .adanalisi gas cromatografica (Antonelli et al, 1995); in particolare, sono stati prelevati 100 fll di cuore che I c
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" sono 'stati analizzati a parte, mentre la:'quota' residua è stata riunita alle teste , (frazione cuore + testa): Per 'la determinazione degli 'alcoli superiori 'e degli 'esteri~. è stato adottato il , metodo dello standard interno, utilizzando un gascromatografo ,con' colonna capillare Carlo Erba HRGC 5300 Mega seriescon rivelatore a ionizzazione di [ '" ,fiamma; oper-ant-e,eofl'le,seguenti eond.izlt)ni~' " . -, iniettore; split/splitless (rapporto di splittaggio 1/15), temperatUra 230°C; - temperatura del rivelatore FID,230°C; , ,<, ", gas 'di trasporto (H2) con flusso di 1,5 ml/min; , " "i. programmata tenriica, 45°C per 3~4 1°C/min ~ 50°C, 'So.C/rtiin ~ 125°C,~ l O°C/min ~. 200°C per 3 rrllri (dopo alctirie iniezioni di prova si è Visto che alla temperatUra fmale di 200°C la: stabilità dellaf~estazionaria ., 'risultava wl po' comp'romessa, 'détenninandò Unadei-iVadella~lfueadì base sul cromatogramma; la programmata termica è stata, quindi modificata , impostando una temperatura Tm.a1edi 180°C per 5min); . volume di iniezione, lJ.Ù; ('. ,.. ,., ~. . stàiidard iritertlo,'alcol n-noniIico{117 mgll):
,,'. L
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Per/là separàzionedei suddetti composti è :stata 'u1iliZzata una~oloriiià multifase costituita da: 1 m di precolonnàdisàttivata:con' '1,j~diferii1-1,1,3,3, tetrametildisilazano DPTMDS (0,32rrnn id); 6mCarbowaX'20M (0;32 IDm id, 0,45 flm df), 12 m OVI e Carbowax 20 M 1:1 (0:32'rrnn id; 0,25'~IÌ1 diX 30 m PS264 (0,32 rom: id, 5 flm df),preparataseguendo:ilmetodo 'propostO'daGrob (Grob, 1986), utilizzando capillari di vetro odi 'silice' fusa da 0;32 nlin di diametrO. interno., disattivati con BaCO:;.. L'individuazione dei composti è stata effettuatamediarite confronto dei tempi di ritenzione, utilizzatando una misèela di' standaidptiri così composta:-aldeide , acetica Cl 00 mgll), metanolo(1 00 mgll), acèta~b'di eti1é (100 :mg'jl)~ 'n:ptbpanolo , '" . ! ,-',' -', . : (JOO'rngll), 2-butanolO' {lO&lngll}, i-l'f0}YcJ1lO1O' {lOo-mgfl),aèetafe (lOO-mgl1:}, nbutanolo (100 mgll), alcoli amilicf(l700 mgJI); acetomo' (100' mgtI);"làttato di etile"(l 00 'mg/l), esanolo (100 mgll), furfufolo (1 (JO mg/l), esanoato di etile Cl 00 illg!I)" acetato di' esile (100 nigll), aIéol' nonilico (117 mgll standard interno), alcol furfutilico (100 mg/l), alcol/benZilIco (103 :nlgl1.), acetato di 22feniletanolo (100 mgIl); sona stati p.oi calcolati i fattori di risposta (K} p,eT 'o.gm.' singola componente, utilizzando la Seguerite formula (Amandola et àL~1991Y' /" ,~
fattore -:-' (eone. an~dita tr areaS.I.)/(conc. :S~I. tr àrea anaIita) .
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,··.·.. Sono state inoltre, eseguite alcune analisi sulle vinacce fernientate, onde stabilirne la composizione, le caratteristiche chimiche e la', presenza< .di altri : prodotti secolic4ìri della ~fennentazione,· quali' F riddo succinico; l' acìdo :malico e , ·la glicerina, ]1er ,evidenziare' possibili correlazioni éon la produiioné di alcoli · supenon,I, In una prima fase si è proceduto 'alI'estrazionee'dei componenti solubili dalla matrice solida, utilizzando quale solvente acqua distillata (Amati et al, 1994); in particolare si sono pesati 20g di vinacci~ àcui:::, sono 'sfatiaggiunti, mediante cilindro graduato, 150 mI"di acqua~,;distillata. ' l'Dopo trattamento con
Condizioni d'analisi: temperatura di condizionamento della colonna, 47°C (forno colonna, Jones Chromatography); pressiope, 50-51Kglcm2 ; flusso, 0,500 m1/min; fase mobile, acido solforico, 0,0045N + acetonitrile al 6% . '-c
Per ,l'identifj.ç~ione dei picchi mediante confronto. dei tempi ,di ritenzione, è stata impiegata una miscela di ,standard puri a .concep:tr~ion~ nota impiegata (Ulche per la determinazione delle concentrazioniIU~çiiaIl-tecurva di taratura. Per l'i11tegraL;iop.e dei picchi ed il calcolo delle concentrazioni è stato utilizzato ~0t:Win Chromatography Software (versione 1.0). StYla vinaçcia è s~ato inoltre detenninato il, gradp alcolico (metodo G.D) previa
òlIlogenejzzatòre centrifugo silversonda labòratotio, il campione·.'è stato pr~levato? preyio, ~ccurato lavaggio del, contenitote e trasferito in un' recipiente , , . cla centrifuga; è stato'· quindi(centrj.fugatq~, a JQ90 ;rpITl perJ5'a :20°C; il sumatante è stato filtrato mediante ;(iUro apiegh~,e trasferito Ìl1lJJ:ltnatraccio tarato da 250 ml. . ," .' ~·;.C Il precipitato residuo. su).'fondo 4el'recipiente ~Lçeptrtfuga, è (s.~a.tQ lavato per due volte impiegando, rispettivamente, 50 e 30 ml di acqua distill~ta, avendo cura di riportarlo in sospensione; ~ stat(). ~poi nuovame~tecentrifug(;lto· a 3000 rpm per lO'; il surnatante così ottenij.to è~~!~to introdotto .ançh'ess.o, nel ~matraccio da 250 nP . e portato a volume .• , :, , '. ,Su di· un'aliquota di.qij.estoestratto:si è procefluto, alla detenninaz~ol1e·.d~LpH e ... , 'ldell'aciditàtQt~e (metop.():q.V). , . \' . . " ii :(' !L campione residuo èsta!() ad<:liz~()p-a~o. cOJ}l mI di broIIl~acetato
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(modificatore ,organico); volume di iniezione, 100. Jll conmi~o siringa Hamilton.,
estrazion~ del campione (Amati ,et al, 1977).
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glicerina: apparecchio;HPLC; J~~pCOl?- ,powpa,f.!:da)tllpres.~ipne, PU 980 Jasço;riyel~!gn~ad indice diri~azi9ne, RI 83Q.JascQ; pr~~olonna, Biorad (30 , x 4;6mn;t) (fon cartuccia a catione H; c()J~f11l:a, ~~9~a4. Anrin~x HPX 87H (300 '~78mm), con fase stazionaria costi;tuita ~ resina,-in .foffi1a idrogeno (fase attiva)suppOIT(:lta da un copolimero pi ,p_artiçe!le,,~<9i~etro pari. a9. J..I.1U costituito da cllvinilberg;ene solfonato, e stiren~;\;iniettore Rheodyne çonJoop da 20J!1; " , ,.
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determinazione, iqegli, : acidi organjçi~ sono state impiegate le stesse apparecchiature di cui sopra, con l'unica differenza costituita dal tipo di riveh:lto~e,ad
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,Discussione dei risultati Nelle condizioni analitiche nnpiegate, sono' state individuate, 'in modo quantitativaniènte ponderabile, 16 sostanze relativeru cuori dei distillati delle sei tesi oggetto di indagine (tabella 1 e figura 2 ). Le concentrazioni di tali componenttnel complesso rientrano nei valori'melli riscontrabili in bibliografia (AntoIielli et al., 1999) (Carnacini et al., 1993). Nel graficò~ 1 :sono riportate le quantità totali, ID mgIL,:' dei composti sopra menzionati che Iioncomprendono l'etanolo e chevengoho defrnitiglobalmente "non alcol", Si può notare come, in generale, la (maisima produzione di 'non alcol, non subisca variazioni di-rilievo in funzione del ceppo di lievito, oscillando a1l'intemo di un intervallo di valori! abbastanza ristretto; l'unica eccezione significativa, è rappresentata dal ceppo identificato con 6167 che si rivela es~ere il maggior produttore in assoluto. Se si considerano queste sostanze non nel complesso, singolarmente, si riscontrano situazioni differenti nelle 5 tesi sperimentali; nel grafico 2 sono rappresentate le variazioni percentuali dei composti volatili, trovati nei cuori e riferiti al testimone. In generale, si può notare che le differenze più evidenti di produzione di composti volatili, sia in senso positivo che negativo rispetto al testimone, riguardano principalmente l'aldeide acetica, l' etil acetato, il n-propanolo, l'ibutanolo, l' acetale, gli alcoli amilici, il lattato di etile, l' ottanoato, di etile e l'alcol benzilico. Per quantificare meglio queste differenze, è stata quindi effettuata, su tutti i dati ottenuti dall'analisi dei cuori, l'analisi della varianza (ANO VA) ad una sol~ via con la sorgente di variazione effetto del ceppo; i risultati ottenuti sono riportati nelle tabella 1. Identica elaborazione statistica dei dati è stata condotta considerando la composizione della parte di distillato per la quale non è stata realizzata la separazione della frazione testa dal cuore. L'assenza di frazionamento mostra l'eventuale interferenza data dallo stesso sulla composizione del cuore. Infatti, con l'impianto di laboratorio impiegato, l'errore nel separare 1 mI di testa, è tale che può alterare la composizione del cuore in lnodo non ripetibile tra un campione e l'altro. Nella tabella 2 è riportata l'analisi della varianza dei dati (ANO VA) ad una sola via con la sorgente di variazione effetto del ceppo relativa all'insieme della frazione di testa più cuore.
" 58
l dati riportati, sono le medie di 4 repliche di analisi (2 fermentazioni" e 2 r ,distillazioni); le lettere minuscole evidenziano le differenze, ricavate mediante il . :test di Tukey ad un livello di p inferiore a 0,01, esistenti nel1aproduzionedi un determinato composto in funzione del ceppo di lievito. In sostanza, quindi, se per un determinato parametro sono state trovate delle differenze di' produzione, statisticamente significative, queste vengono evidenziate mediante l'apposizione . cdi lettere minuscole diverse; le sigle ''{md» 'e «ns», indicano' invece rispettivamente, che il composto non è stato determinato· nelle condizioni analitiche impiegate e che le differenze esistenti non sono statisticamente significative (nd= non determinato, ns= non significativo). ' Prendendo'in esame i dati riportati nella tabella l, relativi ai composti 'determinati nei cuori, si può notare, che il metanolo e,l'aldeide acetica; non sono statisticamente. significativi; ciò è attribuibile al fatto che il primo non è un 'prodotto dell'attività fermentativa dei lieviti, ma deriva dalle ,modificazioni 'chimiche che si sono verificate 'a carico della vinacciadurante la sosta nei: kegs ..... di. fermentazioné; mentre l'aldeide acetica, puressendo legata all'attività fermentativa, è un composto volatile presente prevalentemente n~l1e teste per , 'cui,Ja sua'quantità relativa nei cuori, si riduce stabilizzandosi con la sep'arazione 'delle due fraiioni. Ad ogni modo, si 'può comunque notare cne']'andamento : ,dell'acetaldeide, in funzione del ceppo, è più van ab il e del metanol o. . Per. quanto riguarda l'acetato di etile, invece, si rileva che la 'sua produzione è influenzata, in modo evidente e significativo"dalceppo' '(grafico 3); in particolare la formazione di questo estere, come si vedrà meglio. in s~guitò, è "legata alla produzione .di acido' acetico~ L'andamento del:.graftço, mostra : . ,'chiaramente che le tesi, statisticamente differenziate nella produzione di acetato ,r:dietile, sono: il testimone, il 6167, il 2222 e il 6392; questé ultime dùe 'sono anche quelle che ne producono in quantità mOllore. .~ i : "';". Considerando la produzione di alcoli superiori, si può vedere 'che, per' quanto ,'riguarda il n-propanolo (tabella l), non si evidenziano variazioni sigriificative 'nei cuori: tutti i ceppi presentano più o meno la medesima attitudine 'alla .produzione di questo composto. Ciò .può. apparire' poco giustificabile, considerata la differente capacità di metabolizzare' l'acido ,~aminobutirrico, principale precursore ~i questo alcol. Perciò si ,può attribuire questo fenomeno , all'effetto 'provocato dalla separazione delle' teste e/o allo sviluppo, in seno alla vinaccia, di una miCfoflora sdvaggia, la' cui ,'attività fermentativa' si è , sovrapposta.aquella del ceppo inoculato, riduéendone 1'é'ffetto.· , Ben più importanti risultano essere, invece, le ,differenze riscontrate nella produzione di i.,.butanolo e degli alcoli amilici (grafico 3); in partié'olare, per il , 59
'primo, le"tesi che si differenziano maggiormente sono: il ,testimone (maggior produttore), il 2222 (miilorproduttore) e il 12233 (medio produttore); Per il secondo; gli unici due ceppi che, si differenziano rispetto agli altri sono: i12222 quale minor pl'Oduttore in assoluto, ed il 6167 quale maggior produttore. Tutti , gli altri si attestano su valori più o meno simili. ' .. L'analisi dei composti volatili della frazione unica testa + cuore, può evidenziare , , l' influenzà esercitata dalla. prima, quale causa 'della differenZa riscontrabile a livello aromatico. 'Risulta interessante evidenziare questo fatto, prendendo in considerazione i dati relativi alla determinazione dei composti volatili sui campioni derivati dalla 'frazioneumca testa + cuore (tabella 2). Anche in' questo caso, relativamente al metanolo e all' aldeiae acetica, non si evidenziano variazioni di rilievo "rispetto alla frazione .dei soli cuori; si nota un aumento in ,assoluto del quantitativo di àldeide acetica nei 6 campioni, dovuto al fatto ,che questo composto è presente in concentrazioni elevate nelle'teste. TI metanolo, invece; si mantienè sui medésimi valori di concentrazione e'conferma la sua indipendenza dall'effetto dd ceppo ,(tabella 2): L'effetto della separazione delle teste:ha, invece, una 'rilevante influenZa sulla significàtività statistica dell'etil acetato; infatti, l'aùniento :in assoluto"della concentrazione di questo composto nei campioni comprensivi dell'insiemè 'cuori + teste, determinauh' attenuazione delle ,differenze riscontrate nei soli,cuori,'tale (" da anntillare l'effetto del c e p p o . ' " " Per quantoriguarda"gli alcoli superiori, si può notare che (grafico 4), 'l'effetto del ceppo sulla produzione di n-propanolo, è evidenziabile statisticamente nei campioni «cuori +, teste»~ rispetto ai soli cuori;.- mentre la' varabilità"nella produzione di', i-butanolo é degli' alcoli;', amilici, si mantiene praticamente invariata confermando l'effetto del ceppo. , , Relativamente alla produzione dell'acetale e'dell'acetoino, si può vedere' che (tabella J) l'effetto delcèppo non è rilevabile, nonostante l'anomala produzione "'di acetale trovata nel campione 6167; .effettivamente, la formazione di questi due 'composti è legata maggiormente' alle modificazioni chimiche che si verificano a carico deIP.a1deidè, acetica durante i processi' fermentativi e, solo in minima parte, all'attività metabolica dei lieviti~ . : ·Nonostante la prodUZione di 2-:butanolosia legata,all'azione svolta dai batteri , sulla vinac,cia durantel'insilamentoe nonà1l' attività metabolica dei lieviti, sono state rilevate differenze' ,statisticamente significative,' relativamente alla produzione di que$tocomposto nelle 6 t~i, sia nel caso in cui è ,stata considerata ,la sola. frazione, di ,cuore, e, sia w~l càSO della.'frazione totale (Quore, +- Je~ta) I
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60
. (tabella 2 e grafico 5). Ciò dimostra lo sviluppo, in seno alla vinaccia, di una - -microflora selvaggia, costituita anche da batteri, la cui àzione si è sovrapposta a qu~l1a svolta dai lieviti inoculati.' Questi ultimi potrebbero aver . agito da promotori o da'ìnibìtori della produzione dì 2-butanolo, ìnfluenzatido l'attività , metabolica dei batteri. 'Infatti le 'quantità più elevate sono riscontrabili nei · campioni fermentati con i ceppi 7833 2c, testimone e 12233, mentre le quantità più basse sono riscontrabili nei campiom 'fèrmentati con i ceppi 2222, 6167 e ", 6392. ,. RelativamenteaH'esanolo si può vedere che l'andamento, è abbastanza uniforme e praticamente privo di variazioni in funzione del ceppo; solo il testimone presenta,lina produzione lievemente: superiore rispetto agli altri,·ceppi, come si può rilevare confrontando i dati rìportati in tabella l: 'Effettivamente, questo " . composto deriva dali' ossidazione degli acidi linoleico e linolenico presenti nella ("vinaccia e quindi non è un prodotto del metabolismo dei lieviti. :' . , . Relativamente alla produzione dei composti meno volatili, faéenti parte delle , ultime frazioni ,del cuore, non sono ri1evabili differenze significative in funzione ,( del ',ceppo (tabella 1). In particolare, -la' produzione di 'lattato di etile, mostra variazioni molto contenute nei sei campioni analizzati, con l'unica eccezione fornita dal', ceppo 6167, :che presenta una produzione di questo composto ':'lievemente inferiore 'rispetto agli àltri. Ciò'~ è' attribuibile al fatto che, la formazione di questo' estere, è legata principalmente 'alI' azione svolta dai batteri '. lattici che demoliscono l'acido malico producendo acido lattico (fermentazione i malolattica), quindi, l'attività del lievito può promuovere o inibire 1'azione di tali batteri. L'andamento praticamentin;ostante delFalcolfurfurilico, (tabella 1), conferma l'origine di questo composto che deriva da fenomeni pirolitici a carico · della vinaccia che' si verificano. durante la distinirzion~. Itifme riguardo alla produzionè di "eti! ottanoato, 'non si riscontra,: ,un effetto statisticamente .sigirificativodel ceppo (tabella 1);complessivamente, la;'quantità prodotta di questo composto, si attesta(suvàlori 'abbastanza,':elevati e'dò' costituisce un · aspetto'positivo date le sue' gradevoli note aromatiche; r':, . Per considerare globalmente l'effetto del ceppo sulla caratterizzazione aromatica dei distillati, di vinaccia, è stata effettuata, infme, 1~ atialisidiscriminante,' ad un livello di confidenza del 95%, dei dati "ottenuti dalHanalisi 'gascromatografica : ,; delle frazioni del cuore. Dai risultati ottenuti e rappresentati nel graficò 6, si'può vèdere che non c'è una netta differenziazione nella produzione diCOlllPosti yolatilLda parte dei cinque ceppi"di lievito considerati nei confronti del testimone, 'Soltanto il ceppo 6167 e " in parte il 2222' si rivelano essere quelli maggiormente 'differenziati. 61
,Effettuando poi l'analisi discriminante. anche sui dati ottenuti dall'analisi gascromatografica della fraiione"cuore + testa", l'effetto 'del ceppo sulla produzione dei ,composti 'vo1:itili, si riduce ulteriorniente (grafico 7). Ciò,'~e da un lato è dovuto all'errore ,inSitonellamodalità di prelievo delle teste, come si può rilevare osservando l'allargamento degli insiemi rappresentati nel grafico, dall'altro, conferma ulteriormente la scars~frilevanza dell'effetto deL ceppo sulla caratterizzazione aromatica dei distillati, registrata 'nelle nostre prove.. Per completare il quadro generale relativo al comportamento metabolico dei cinque ceppi di lievito presi in considerazione,: occorre analizzare' an'che i dati ottenuti dalle analisi effettuate sulle vinacce fermentate. '" , Anche' questi dati' sono stati analizzati' statisticamente (anali,si della c varianza , ANO VA), allo stesso modo dei dati relativi ai' distillati:ei risultati sonò riportati nella tabella 3. Si può notare che, mentre l'aciditàtotale ed il pH si mantengono praticamente costanti in tutti e sei i campioni, il' gràdo alèolico {mL di ;a1col prodotto/lOOg di vinaccia) si presenta differenziato in funiione deL ceppo come si può vedere anche' dal grafico' 8; itioltre .tutte le tesi iivelanouna maggior attitudine alcoligenarispettoaltestimone, .con una netlaprevalenza':de1.'cèppo
6167.
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. Riguardo ai componenti fissi; l'acido tartarico non mostra variazioni (tabella 3)~ , confermando quanto deducibilè dai dati del pH e dell 'acidità totale. :La glicerina 'invece, presenta una 'variabilità statisticamente significativa (grafico 8); matti , questo composto è strettamente legato'alladifferente attività fermentativa dei lieviti e" come è già stato detto in precedenza, deriva dalla riduzione (NAD dipendente), a livello gli coliti co del diidrossiacetone fosfato. " Le variaziom più significative, nella produzione, di acidi organici (grafico 9), riguardano l'àcido piruvico eT acido acetico, con :un andamento, in funziòne del ceppo, abbastanza simile per entrambi j composti; 'infatti, racido~'acetico si forma sempre,' durante la fermentazione alcolica, in . seguito :all'ossidazione dell?aldeide acetica e, questo processo biologico, ,è influenzato dalpH del mezzo e dalle caratteristiche del ceppo di lievito.':,L'acido piruvico, si accumula nel mezzo in fermentazione in seguito alla repressione, J>iù o meno prolungata in funzione del ceppo di lievito, dell'attività della piruvato decarbossilasi. L'acido succinico' mostra una lieve variazione' èomunque' non significativa (tabella 3); ciò appare poco giustificabile poichè questo composto è un prodotto del metabolismo dei lieviti derivante dalla riduzione del piruvato.· L'acido lattico presenta, invece, un andamento'praticamente costante,conJ'unca r ,eccezione rappresentata dal caìnpione 7833 2c, Dd quale èstata trovata una quantità, di questo composto, lievemente superiore risPetto Jille altre ,.tesi 62
sperimentali (tabella 3); ciò rappresenta un'ulteriore prova dell' avvenuta fermentazione malolattica, ad opera dei batteri lattici appartenenti alla microflora selvaggia già attiva all'atto dell'inoçulo dei lieviti selezionati. Infme è stato possibile ricavare alcune interazioni ,positive, tra la produzione di sottoprodotti del metabolismo e sintesi di composti volatili, che potrebbero risultare utili per la selezione dei ceppi di lievito. In particolare, osservando i . ,grafici l~, 1.1 e ,12, si può vedere che, i raggruppamenti nel piano cartesiano dei punti relativi ,a,i . dati ottenuti confrontando la produzione dell'etil . acetato con ,l'acido acetico (grafico 10), dell'i-butanolo con l'acidopiruvico (grafico 11) e della glicerina con l'i-butanolo (grafico 12), n~lle sei tesi sperimentali, tendono , . all~ linearltà (coefficiente R 2 circa uguale "a. 1)., L' eti! ,fl,cetato, deriva effettivamente dalla esterificazione dell'acido acetico, con l' etanolo e . tale ',' reazione risulta essere molto favorita dalle condizioni chimiche che .si creano durante la distillazione della vinaccia; infatti questo composto è stato rilevato in quantità elevata nei, di~tillati, mentre. l'acido acetico, pur essendo anch'esso volatile, è risultato essere praticamente assente nei distillati. .. " Per quanto riguarda invece l'interazione tra l'i-butanolo e l'acido piruvico, sembra che., .la .differente attitudine metabolica, mostrata dai lievit~ di bloccare .,la fermentazione ,alcolica a livello della ,piruvato decarbossilasi, favorisca nel contempo la sint7~i di questo composto a :partire dalla ;valina. Circa l'interazione tra produzio~e di 'glicerina e i-butanolo, infme,' vale un discorso analogo con l'unica differenza che, nell'ultima. tappa della glicoliSi, il blocco della fermentazione alcolica si verifica a livello ,della conversione deldiidrossiacetone . ~, ' fosfato (da cui deriva la glicerina) in gliceraldeide fosfato., _,'"
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63
Conclusioni :
BIBLIOGRAFIA
In conclusione (quindi, dai risultati ottenuti con la' presente sperimentazione, si può dedurrec1ìe la tecnica dell'inoculo di ceppi di lievito, selezionati per la diversa produzione di alcoli superiori ed esteri,ìmpiegati p~r la' fermentazione 'delle vinacce, destinate alla prodùzione di grappe più caratterizzate e' ricche, sotto il profilo aromatico, risulta' essere scarsametiie efficace. Infatti; nelle condizioni sperimentali adottate, solo un ceppo (il 6167), dei 'cinque presi in conside~azione, ha' determinato rottenimento di' distillati caratterizzati' da' un "profIlo' ·aromatico ben differenziato, contrariamente a quanto ottenuto in precedenti lavori relativi alla preparazione dei vini dest~ati alla produZione del brandy e del Cognac. Questa scarsa differenZiazione, è da attribuIre al fatto che, la vinaccia:, è', una matrice solida' per cui rappresenta un mezzo non ottimaleper raggiungere un'adeguata omogeneizzazionedell'inoculo nel substrato. Ne consegue 'quindi che ~'applicazione di tale tecnologia a livello industriale, COlue accade' già da diverso tempo, non sempre può condurre 'ad' un risultato certo" conSiderando inoltre' ch~, 'in distilleria:, :ii,ungono partite di ~inaccia che durante' il'traspòrto hanno già subito processi di fermentazione spontanea che producono importanti modifIcazionidei substiaii fermentativi, influeIÌzando negativ31uentel'àttlvità " dei· lieviti inoculati; 'inoltre, operando su' grandi partite, 'il "'pròblema dell' omogeneizzazione risulta ulteriormente accentuato. , , La' sperimentazione 'ha comunque" fornito 'alcun~ interessanti indicazioni.' In p311icolare si è visto che alcuni ceppi di lievito' sono in' grado -di ~ ostacolare l'attività dei batteri responsabili della produzione di 2-butanolo riducendo così il quantitativo di questa sostanza:, nel distillato ottenuto. Tali risultati possono essere comunque ritenuti interessanti ai fIni di un impiego più razionale di questa tecnica di produzione della grappa in ambito industriale.
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Figura 1. Apparecchiatura da laboratorio impiegata per la distillazione dei campiom di vinaccia fennentata
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A B C D E
-
F
=
-
-
RiboUitore di base Colonna di rettifica Condensatore a serpentmo Tubo di raccordo Mantello riscaldante Bagno tennostatico
'lo
Figura 2. Gascromatogramma di un campione di cuore. 1 2 3 4 5 6 7
=
= = =
8 9 lO 11 12 13 14 15 16 17 18
= = =
= = = =
=
=
Acetaldeide Metanolo Etanolo Acetato di etile n-prpanolo 2-butanolo i-butanolo Acetale Alcoli amilici Acetoino Lattato di etile Esanolo Esanoato di etile Alcol nonilico (8.1) Alcolfurfurilico Ottanoato di etile Alcol benzilico 2-feniletanolo
CEPPI DI LIEVITO
Aldeide acetica
(mgIL)
Metanolo
(mgIL)
Etil acetato
(mgIL)
n-Propanolo "
,
(mgIL) .
I~ : ,.-' - -
2-Butanolo
(mg!L)
i-Butanolo
(mgIL)
Acetale
(mgIL)
Alcoli amilicì
(mgIL)
Acetoino
(mg!L)
'.
78332C
Testimone
2222
6167
ns 1968,75 ns 2141,56 ab 1622,91 ns 344,31
ns 1755,73 ns 2201,42 b 1845,38 ns 409,11 b 20,32 b 743,65 ns 4S,Q2
ns 1888,74 ns 2132,71 a 1169,03
ns 2412,07
b 21,02 ab' 520,70 ns 42,33 !àb
~492,95 ns 42,58
ns Etile lattato
(mgIL)
Esanolo
(mglL)
195,20 ns 142,30
ns Etile esanoato Alcol Furfurilico
(mglL) ;;l
:l
(mgIL) l
Etile ottanoato '1',/
Alcol Benzilico
12,74 , ns" Il;37 'i .' :ns
(mg/L)
,~6,,~?
(mgIL)
,ns"" ,,12,59
2-Feniletanolo :". (mgIL) Tabella L Composizione aromatica dei cuori
nd
~;ab
1563,72
,,- ns
'40?86 ns 217,82 ns 155,21 ns 14,,43
"'c'ns' ~,J,12
, ~ : ' DS
3Q,63
ns'
liò,66 ns 7,50
ns 2382,61
b 1720,71 ns 503,53 a _: 15,74
ns 293,66 ab 18,97 a 328,85 ns '43,69 a J21O,47 ns 40,97 -' ".-' "ns '")82,97 :: ..,f; , ns 144,00
'-" If
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6392
b
L)
724,24 -' .. ns 85,94
"o
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b , 1920,34 ns 45,40 ns ~, 136,73 ns 146,66
12233
ns 1378,84 ns 2279,78 a 1339,06 ns 523,81 ab . ~18,38 ab 577,14 ns 34,61, ' ' ab '" 1581,83 ns 37,74 " ns 209,97 ns 147,50 ,-'
ns "nd ns 11,56 ,,', ns 39,85 ns 10,86 ,', nd
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nd ns 12,23 ns 44,14
12,67 ns Il,47 ns 43,13 ,
ns
ns
6,86 ns '6,70
12,47 ' ";
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ns 2061,16 ns 2366,97 ab 1538,13 ns 380,28 b 21,38 b 628,39 ns 43,87 ab 1617,53 ns 42,04 ns 227,18 ns 150,02 ns 14,68 ns 12,55 ns 53,05 ns 12,91 ns 10,60
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CEPPI DI LIEVITO
78332C
T~stimone
2222 ';
ns
ns 2277,62 ns 2139,67, ns 1430,6,0 a 287"47,,, a 326,90 ab' 23,47 ns 55,10'
(rng!L) '
2287,85
ns 2000,95 ns
Aldeide acetica "
1~••
"-"
Metanolo
(rng!L)
2143,74
2211,9~
,
i.
ns .. ns"
Etil acetato '
(lngIL) (rnWL)
l
i-Butanolo
(rng!L)
2-Butanolo
(rng!L)
Apetale Alcoli amilici Acetoino
(rng!L)
335',42 ab ' SIlA3 b 25,22 ns 49,08 ab'
}'
"
(rng!L)
1437:~15
1503,,~3
(mg!L)
ns 45,00
ns 43,31 ns 149,07
DS
Esanolo ~136,69 ~mg/L) Tabella 2. 'Composizione della frazione volatile cuori + teste
..
ns" 2198,83 ab 399,10 . b" 727,3'2 b"' 25,41 nS " 52,03', , wb' ' "
·1851;5~
I;l
n-Propanolo
~
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6J67
'6392
12233
ns 2939,44 ns 2353,67 ns 2039,47,' b 488,37 b 709,69
ns 1679,45 ns 2286,20, ns 1564,95 b 513,21 ab 566,60 ab 22,21 ns 42,78 ab 1521,06 ns '. 39,76 ns 141,48
ns 2565,99 ns 2374,99
a 1948 , ' ns 95,69 b 1843,53 ns ...... 47,70 ns 140,58 ,
.''{.
~
1166,94 ns" 43,54
ns '
138,30
ns 1826,33 ab 371,63 ab 619,31 b 24,96 ns 55,49 ab 1560,86 ns 44,16 ns 143,95
~J
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'
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"
CEPPI DI LIEVITO
78332C
Acidità totale
ns 20,20
(g ac. Tartarico/Kg)
ns 3,94 b Grado alcolico (mVI00g) 3,10 ab 4476,35 Glicerina (mgIK.g) ns Acido tartarico (mgIK.g) 17402,19 a Acido piruvico (mgIK.g) 44,73 ns Acido succinico (mg/Kg) 789,32 ns Acido lattico (rngIK.g) 1977,32 ab Acido acetico 134,51 (mg(Kg) Tabella.3. Composizione dei metaboliti nella vinaccia fermentata pH
Testimone
2222
6167
6392
12233 ns 19,15 ns 4,00 c 3,37 b 3891,95 ns 15547,31 a 43,62 ns 866,57 ns 1588,86 ab 96,63
ns 19,66
ns
ns
18,91
20,22
ns 18,33
ns 3,99 a 2,79 ab 4885,37 ns 15430,74 b 70,95 ns 783,17 ns 1723,68 b 166,17
ns 4,00 c 3,30 a 2871,61 ns 14807,22 a 26,71 ns 571,86 ns 1558,61 a 71,92
ns 3,99 d 3,44 ab 4627,29 ns 17044,18 b 53,94 ns 805,40 ns 1502,97 ab 130,80
ns 3,95 b 3,12 b 4073,02 ns 14931,70 ab 51,06 ns 724,31 ns 1584,68 a 87,04
.,
Effetto del ceppo sulla produzione di non alcol 12000~----------------------------------------------~
10000
..J
8000
Cl
E
.5
..ca :;::l c
6000
«I
::I
a 4000 2000
7833 2c
testimone
2222
6167
Ceppi di lievito
Gr~co
1. Produzione di non alcol nei diversi ceppi di lievito
6392
12233
Effetto del ceppo sulla produzione dell' etH acetato, i-butanolo e sicoli isosmilici (cuore) "
Differenze di produzione in % ,rispetto al Testimone 100
iii Aldeide acetica .. Etil acetato
2500~------------------------------------------~r------~
80
Cl n-Propanolo
2000
• i-Butanolo
40 EmAcetale
20
• Alcoli Isoamilici IZI Acetoino
'$.
~
D Alcoli amilici (mg/L)
Cl2-Butanolo
60
'2 o 'r;; as 'c
.. i-Butanolo (mg/L)
o
==! ~ 1500 .5 :f! :;::J
-40
I!iIAlcol benzilico .2-feniletanolo
-60 -80
Il Metanolo
(mg/L)
! 1000
a
• Lattato di etile .. Esanoato di etile di etile C Et" ottanoato
-20
il Etil acetato
500
o 78332c
78332c
2222
6167
6392
12233
Ceppi di lievito
6167
6392
12233
Grafico 3. Effetto del ceppo di liev'ito sulla produzione di aicoìi superiori e deU'etil acet..ato, valutato nella frazione dei cuore
• Alcol furfurilico
2000
Effetto del ceppo sulla composizione deUa frazione vo!atiie cuori + teste b
D n-Propanolo (mg/L)
1800 1600
Grafico 2. Quantità di" composti volatili prodotta dai diversi ceppi, in % rispetto al testimone
2222
Ceppi di iievito
Il Esanolo
-100
testimone
-e ..J
ab
ab
ab
ab
1400 a
1200
D Alcoli amilici (mg/L)
c-
;S 1000 :;::J
c-
as
800
a
600
::s
400 200
o 7833 2c
testimone
2222
.. i-Butanolo (mg/L)
6167
6392
12233
Ceppi di lievito
Grafico 4. Effetto del ceppo sulla produzione di alcoli superiori, valutato nella frazione cuore + testa
Radic1 Radic2
Effetto del ceppo sulla produzione del 2-butanolo(cuore)
I
10 25
8
.
6 20
-
4
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78332c :J Testimone ) 2222 II.. ,6167
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o 78332c
testimone
2222
6167
6392
-8
12233
Ceppi di lievito
-10 -15
-10
o
-5
10
5
• 6392 • 12233
Radic1
Grafico 5. Influenza del ceppo di lievito sull'attività metabolica dei batteri produttori di 2-butanolo ,
Grafico 6. Risultati dell'analisi discriminante dei dati relativi alla composizione arorhatic~ dei cuori
,
Radic1 • Radi02 7
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Testimone
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Radic1 ,l
Grafico 7. Risultati dell'analisi discriminante dei dati relativi alla composizione della frazione voliatile cuore + testa
Attitudine alcoligena dei cep~{ di lievito valutata sulla vi.~accia . ... . ..... fermentata _.
Attività metabolica dei lieviti, produzione di acido piruvico e acetico il"
180,00
• Acido piruvico (mg/Kg)
b
c
160,00
c
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140,00
b
ab
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D Acido acetico (mg/Kg)
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80,00 60,00 40,00 20,00
~2.22..... __ ., . __ J~1.ç7
63~2 . .
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testimone
2222
Cepp!di I~evito
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2000
=:! m
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2200
6000
:
12233
Graflcbl O. pio.duzlo~e di ahidi organici (Piruvico. e acetico.) helÌe~ei tesi, ,val.~taia n~I1a yin~bci~ fennentata
_ .
Attività metabolica deilievìtì;"pr6duiiorie di' glicerina'
5000
6392
Ceppi di lievito
Grafic,O 8. Attività 111etabo.lic~ d~i lieviti, produzione di etanQlo. L'
6167
..
o 78332c
testimòr:le
616.7
6392
Ceppi dJ I~evito
12233
1000 -I----,-----,---...."..,------=r---.,.,----,-----, 50 .70 90 {'190 110 130 150 170 Acido acetico (mg/Kg)
GrafiCo. 9. Pro.duzio.ne di glicerina nel~e sei tesi, valutata nella vinac~ia fennentata "
,
[
(
Grafico. 11. Relazio.ne lineare esisteIlte tra la produzio.ne dell'etil4icetato.'f14ell'acido,acetico., trovata nelle sei tesi sperimentali
900' " ,800 >O'
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R2 =O,8027
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, Acido piruvico (mg/Kg) Grafic9J2.Relazi~J1e lineare esiste;nte tra la produzione delJ'i,-butanolo ~d,ell'acido piruvico,p-ovta nelle sei tesi sperimentàli l',. J
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4000
5000
6000
éGlic.erina (mg/Kg)
Grafico L3'. Relazione lirieare :ésistente tra hl'produzione 'del1'i~ bùtànolo 'e della glicerina, trovata nelle sei tesi sperimentali . ,
