Influence of distillation parameters on the fractionation behaviour of aroma compounds in the production of Williams-Christ pear brandies and Golden Delicious apple brandies

Abstract

Aroma compounds are central to the sensory attributes and overall organoleptic quality of fruit brandies, yet their behavior during distillation remains insufficiently understood. The relative volatility of these compounds, a fundamental property that defines their evaporation tendency in relation to ethanol, plays a crucial role in distillation, governing their separation efficiency, distribution between vapor and liquid phases, and overall impact on the composition and sensory quality of the final product. Despite its importance, the concept of relative volatility has not been introduced in the production of fruit brandies. The aim of the first publication was to develop a quick and simple method using a basic distillation apparatus to determine the relative volatilities of flavor compounds in hydro-alcoholic solutions. This approach provides a practical alternative to the time-consuming and costly Gillespie dynamic recirculation method. Seventeen representative flavor compounds from apple and pear brandies were investigated, including unpublished data for five compounds. Relative volatilities of methanol, isobutanol, isoamyl alcohol, ethyl acetate, acetaldehyde, and 1,1-diethoxyethane were compared to reference data, showing high correlation for all compounds except 1,1-diethoxyethane. Vapor-liquid equilibrium data for an ethanol-water mixture also exhibited strong agreement with reference data. These results demonstrate that the proposed method is a reliable, fast, and cost-effective alternative to standard techniques for determining relative volatilities. The second publication investigated the impact of partial condensation in dephlegmators on the behavior of ethanol and flavor compounds, comparing setups with and without dephlegmators in both lab-scale and large-scale experiments. Lab-scale experiments demonstrated that dephlegmation led to significant enrichment of ethanol in the distillate through the selective condensation of water. The behavior of flavor compounds varied, with some showing enrichment, others depletion, and some remaining unaffected. In large-scale experiments, a distillation apparatus relying solely on dephlegmation was compared with a standard setup containing an enrichment section with three trays. The dephlegmator-based system exhibited less efficient separation of tail components, such as fusel alcohols, resulting in a lower yield of hearts fraction. Sensory triangle tests confirmed that the spirits from the two systems were distinguishable, though no clear preference emerged. This study provides the first detailed insights into the influence of dephlegmators on flavor compound behavior and separation efficiency during fruit brandy distillation, offering valuable guidance for optimizing distillation processes. The third publication explored distillation processes from the perspective of relative volatility, aiming to control behaviors of key odor-active compounds in pear brandies and enhance product quality through novel fractionation strategies. Two novel fractionation strategies were tested: one involving a high cooling water flow rate combined with a slow distillate flow, and the other employing a 12-tray distillation column. Both approaches successfully increased ethanol concentration on the top tray, altering the relative volatility of compounds in the liquid phase. Elevated ethanol concentrations reduced the relative volatility of higher alcohols, delaying their release and producing sharper, well defined peaks compared to broader profiles observed in the control distillation. This enabled selective separation of desirable compounds, such as beta-damascenone and ethyl (E,Z)-2,4-decadienoate (pear ester), from higher alcohols, resulting in an aroma-rich tails fraction. Blending this enriched tails fraction with the hearts fraction produced a final product that was significantly preferred in sensory evaluations over the standard hearts fraction. These findings demonstrate the importance of tailoring operational distillation conditions to exploit differential volatility, enabling more effective compound separation and improving the sensory quality of fruit brandies.

Aromastoffe sind entscheidend für die sensorischen Eigenschaften und die gesamte organoleptische Qualität von Obstbränden. Dennoch ist ihr Verhalten während der Destillation bisher unzureichend verstanden. Die relative Flüchtigkeit dieser Verbindungen, eine grundlegende Eigenschaft, die ihre Verdampfungstendenz im Verhältnis zu Ethanol definiert, spielt eine zentrale Rolle bei der Destillation. Sie bestimmt die Trennungseffizienz, die Verteilung zwischen Dampf- und Flüssigphasen sowie die Auswirkungen auf die Zusammensetzung und sensorische Qualität des Endprodukts. Das Konzept der relativen Flüchtigkeit wird bislang trotz seiner Relevanz nicht in der Produktion von Obstbränden berücksichtigt. Das Ziel der ersten Veröffentlichung war die Entwicklung einer schnellen und einfachen Methode zur Bestimmung der relativen Flüchtigkeiten von Aromastoffen in hydro-alkoholischen Lösungen unter Verwendung eines einfachen Destillationsapparates. Dieser Ansatz bietet eine praktikable Alternative zur zeitaufwendigen und kostenintensiven Gillespie-Methode mit dynamischer Rezirkulation. Siebzehn repräsentative Aromastoffe aus Apfel- und Birnenbränden wurden untersucht, einschließlich bisher unveröffentlichter Daten für fünf Verbindungen. Die relativen Flüchtigkeiten von Methanol, Isobutanol, Isoamylalkohol, Ethylacetat, Acetaldehyd und 1,1-Diethoxyethan wurden mit Referenzdaten verglichen, wobei alle Verbindungen außer 1,1-Diethoxyethan eine hohe Korrelation aufwiesen. Die Dampf-Flüssig-Gleichgewichts-Daten für ein Ethanol-Wasser-Gemisch zeigten ebenfalls eine starke Übereinstimmung mit den Referenzdaten. Diese Ergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagene Methode eine zuverlässige, schnelle und kostengünstige Alternative zu Standardtechniken zur Bestimmung relativer Flüchtigkeiten darstellt. Die zweite Veröffentlichung untersuchte die Auswirkungen der teilweisen Kondensation in Dephlegmatoren auf das Verhalten von Ethanol und Aromastoffen, indem Versuchsaufbauten mit und ohne Dephlegmatoren sowohl im Labor- als auch im großtechnischen Maßstab verglichen wurden. Laboruntersuchungen zeigten, dass die Dephlegmation zu einer signifikanten Anreicherung von Ethanol im Destillat führte, da Wasser bevorzugt kondensiert wurde. Das Verhalten der Aromastoffe variierte, da sich einige anreicherten, andere abnahmen und wiederum einige unverändert blieben. Im großtechnischen Maßstab wurde ein Destillationsapparat, der ausschließlich auf Dephlegmation basierte, mit einem Standardaufbau verglichen, der einen Anreicherungsabschnitt mit drei Böden enthielt. Das System mit Dephlegmator zeigte eine weniger effiziente Trennung von Nachlaufkomponenten wie Fuselalkoholen, was zu einer geringeren Ausbeute an Mittellauf führte. Sensorische Dreieckstests bestätigten, dass die Spirituosen aus den beiden Systemen unterscheidbar waren, jedoch keine klare Präferenz festgestellt wurde. Diese Studie liefert erstmals detaillierte Einblicke in den Einfluss von Dephlegmatoren auf das Verhalten von Aromastoffen und die Trennungseffizienz während der Destillation von Obstbränden und trägt zur wissenschaftlichen Grundlage für die Optimierung von Destillationsprozessen bei. Die dritte Veröffentlichung untersuchte Destillationsprozesse aus der Perspektive der relativen Flüchtigkeit, mit dem Ziel, das Verhalten von wichtigen geruchsaktiven Verbindungen in Birnenbränden zu kontrollieren und die Produktqualität durch neuartige Fraktionierungsstrategien zu verbessern. Zwei innovative Fraktionierungsstrategien wurden getestet. Die erste basiert auf einer hohen Kühlwassermenge und einer langsamen Produktabflussrate, während die zweite eine Destillationskolonne mit zwölf Böden nutzt. Beide Ansätze führten erfolgreich zu einer erhöhten Ethanolkonzentration auf dem obersten Boden, was die relative Flüchtigkeit der Verbindungen in der Flüssigphase veränderte. Höhere Ethanolkonzentrationen reduzierten die relative Flüchtigkeit von höheren Alkoholen, verzögerten deren Freisetzung und führten zu schärferen, besser definierten Hohenkonzentrationen im Vergleich zu den breiteren Profilen der Kontroll-Destillation. Dadurch konnte eine selektive Trennung von erwünschten Verbindungen wie Beta-Damascenon und Ethyl (E,Z)-2,4-Decadienoat (Birnenester) von höheren Alkoholen erreicht werden, was zu einem aromareichen Nachlauf führte. Die Mischung dieses angereicherten Nachlaufs mit dem Mittellauf ergab ein Endprodukt, das in sensorischen Bewertungen deutlich bevorzugt wurde. Diese Ergebnisse zeigen die Bedeutung der Anpassung von Destillationsbedingungen zur Nutzung unterschiedlicher Flüchtigkeiten, um eine effektivere Trennung von Verbindungen und eine Verbesserung der sensorischen Qualität von Obstbränden zu ermöglichen.