基于膜分離-樹脂吸附的黃酒降酸工藝及風味評價

陳晨,謝海騰,賴敏輝,金青青,周建弟,錢斌,蔣予箭*

1(浙江工商大學 食品與生物工程學院,浙江 杭州,310018)2(紹興海納膜技術有限公司,浙江 紹興,312000) 3(浙江古越龍山紹興酒股份有限公司,浙江 紹興,312000)

陶壇裝黃酒在貯存陳釀過程中酸度因醇類物質的氧化而緩慢上升,最終對產品風味造成不良影響[1]。傳統化學降酸法,如酒石酸鉀、碳酸鉀等,在食品工業領域較為常用[2],但其對黃酒風味具有一定影響,因此不適用于黃酒的降酸。離子交換樹脂法是果酒降酸中較為常用的方法之一,具有對產品風味和感官特性損害小[3],可重復使用的優點。LI等[4]、李英蕊等[5]使用陰離子交換樹脂分別處理濃縮葡萄汁、青桔汁,脫酸率可達60%以上。

膜分離技術可用于多組分的溶質和溶劑間的分離、提純和濃縮,是一種以選擇性柵欄作用為基礎的現代分離技術[6]。在黃酒行業,膜分離技術多用于過濾、澄清或除菌等目的。濾膜孔徑或截留分子質量是影響濾膜性能的重要參數[7],陳麗花等[8]使用10 kDa的超濾膜處理后的黃酒澄清度高,雜醇油含量降低,存放一段時間后濁度不超過2.0 NTU。料液的理化性質[9],裝置的操作參數[10]等也都會影響濾膜在滲透速率和溶質截留方面的分離性能[11]。張雪艷等[12]利用中空纖維微濾膜,在40 kPa,125 L/h的最優工藝條件下,使黃酒中雜菌總數的去除率超過99.45%。

直接采用樹脂吸附黃酒中的酸根離子,會存在無差別吸附問題,黃酒中的蛋白質、氨基酸等成分會污染樹脂或被樹脂吸附而降低其效率。因此,本文通過膜分離技術與樹脂降酸法結合,以循環處理的方式進行高酸黃酒降酸,研究新的黃酒降酸方式的可行性。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

高酸黃酒,浙江古越龍山紹興酒股份有限公司提供。

不同截留分子質量濾膜(主要參數見表1)、0.2 μm微濾膜,紹興海納膜技術有限公司;D354弱堿性陰離子樹脂,鄭州和成新材料科技有限公司;2-辛醇等常規試劑,分析純,國藥集團化學試劑有限公司。

表1 濾膜主要性能參數Table 1 Main performance parameters of filter membrane

1.2 儀器與設備

UFS-1812-1實驗室多功能一體機,紹興海納膜技術有限公司;7000D三重四極桿氣質聯用系統,美國Agilent公司;50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取頭,美國Supelco公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 理化指標的測定

總酸、氨基酸態氮:參照GB/T 13662—2018《黃酒》;酒精度:參照GB 5009.225—2016《酒中乙醇濃度的測定》;還原糖:參照GB 5009.7—2016《食品中還原糖的測定》。

1.3.2 高酸黃酒澄清液的制備

在室溫下使用0.2 μm微濾膜,運行壓力為0.2 MPa,對高酸黃酒進行過濾,制得的高酸黃酒澄清液作為樣品備用。

1.3.3 膜通量和透過率

在一定時間內測定透過液的體積,根據公式(1)計算膜通量:

(1)

式中:V為透過液體積,L;A為膜有效面積,m2;t為獲得一定體積滲透液所需時間,h。

物質的透過率計算如公式(2)所示:

(2)

式中:C0為原樣中物質的質量濃度,g/L;C1為透過液中物質的質量濃度,g/L。

1.3.4 膜工藝參數的選擇

在25 ℃,2.0 MPa的條件下,分別選用100、200、1 000 Da的濾膜對高酸黃酒樣品進行過濾處理,對比不同截留分子質量濾膜對膜通量和總酸含量的影響。上述研究基礎上,進一步完成了200 Da和1 000 Da濾膜在不同的料液溫度(20、25、30 ℃)和運行壓力(0.5、1.0、1.5 MPa)下的實驗。

1.3.5 膜分離-樹脂吸附裝置降酸實驗

D354樹脂是由靜態吸附動力學實驗篩選得到的,對高酸黃酒中總酸具有選擇性吸附的弱堿性陰離子樹脂,并能較大程度保留其他風味成分。降酸后樹脂的總酸吸附量和各指標的保留率分別以公式(3)、公式(4)進行計算。確定最佳樹脂填充比后,選擇200、1 000、2 000 Da的濾膜進行降酸裝置處理,裝置如圖1所示,以未過膜樹脂組進行比較,并對降酸黃酒進行揮發性風味物質的檢測。

(3)

(4)

式中:C0為初始質量濃度,g/L;C1為吸附后質量濃度,g/L;V為樣品體積,mL;M為樹脂質量,g。

1-物料罐;2-高壓泵;3-膜組件;4-流量計;5-樹脂柱; 6-壓力表;7-調節閥圖1 降酸裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of acid lowering device注:未過膜處理組:僅移除膜組件3。

1.3.6 揮發性風味物質的測定分析

取2 mL黃酒樣品、4 mL超純水于15 mL頂空瓶中,加入2 g氯化鈉充分搖勻,加入10 μL 2-辛醇溶液(101.8 mg/L),搖勻,蓋上瓶蓋[13]。使用50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取頭(使用前250 ℃老化30 min),于50 ℃下吸附30 min,250 ℃下解析2 min,用于GC-MS測定。

GC-MS測定結果通過NIST14數據庫檢索進行定性分析,半定量分析是以2-辛醇為內標,揮發性物質含量按公式(5)計算:

(5)

式中:ρi為待測物質的質量濃度,μg/L;Ai為待測物質峰面積;A0為內標物峰面積;ρ0為內標物的質量濃度,μg/L。

1.3.7 感官評估

以澄清度、顏色、醇香、陳香、協調、酸味、澀味、醇厚、柔和這9個屬性,根據黃酒品酒操作[14],對黃酒樣品進行感官評分[15]。

1.4 數據分析

采用Excel、Origin 2018和Visio進行數據處理、圖形繪制;使用SPSS進行顯著性差異分析,以P<0.05為差異顯著;采用SIMCA 14.1進行OPLS-DA統計分析。

2 結果與分析

2.1 黃酒脫酸工藝參數的選擇

2.1.1 不同膜截留分子質量的影響

不同截留分子質量下透過液中總酸等的透過率見表2。高酸黃酒進行膜處理的目的是使較多的有機酸透過,盡可能多地保留氨基酸態氮、還原糖等物質。100 Da濾膜的總酸透過率只有27.12%,不符合進一步樹脂脫酸的要求。200 Da和1 000 Da濾膜的總酸透過率較高(>80%),氨基酸態氮透過率適中,1 000 Da的膜通量高于200 Da濾膜。

表2 不同膜截留分子質量下透過率和膜通量Table 2 Permeability and membrane flux at different molecular weight of membrane interception

2.1.2 料液溫度和運行壓力的影響

隨料液溫度的升高,200 Da和1 000 Da濾膜的膜通量也得到提高,從20 ℃升溫至30 ℃時的膜通量分別增加了46.59%、73.31%;溫度對2種膜的總酸、氨基酸態氮透過率影響相似,溫度升高其值略呈增加,1 000 Da的參數變化見圖2。溫度上升有利于提高膜通量,但30 ℃下運行時黃酒中揮發性成分的損失會較大,初步確定25 ℃作為工作溫度。

在0.5、1.0、1.5 MPa的壓力下,總酸的透過率沒有顯著差異(83.39%～83.51%),說明壓力的變化對總酸透過率的影響不大。適當增加壓力來提高膜通量,可提高降酸裝置的工作效率。但黃酒樣品在經過膜時會產生壓差ΔP1,通過樹脂柱時又產生另一個壓差ΔP2,運行壓力過大,ΔP1與ΔP2的差異就愈大,會影響系統的穩定性。根據膜通量和系統運行的穩定性觀察,選擇1.0 MPa作為工作壓力比較合適。

a-總酸和氨基酸態氮透過率;b-不同溫度和壓力下膜通量圖2 不同料液溫度和運行壓力下的透過率和膜通量Fig.2 Permeability and membrane flux at different liquid temperature and operating pressure注:不同組別標有不同小寫字母表示組間差異顯著(P<0.05)。

2.1.3 樹脂填充比的影響

填充比是樹脂質量與料液質量之比,填充比越大,總酸下降量越高,不同填充比下的總酸吸附量見表3。氨基酸態氮、還原糖、酒精的保留率隨填充比的增加而逐步減小,但各填充比下它們的保留率都大于90%。

在相同填充比(6%)下,高酸黃酒經膜分離處理后,總酸的去除效果不如直接采用樹脂吸附降酸,但氨基酸態氮等指標的保留率更高。根據總酸吸附量和各保留率結果,選擇10%作為降酸裝置的填充比。

2.2 不同膜截留分子質量對黃酒降酸效果的影響

不同膜處理組的降酸過程總酸含量變化見圖3,截留分子質量越大,初始總酸下降的速率越快,結束時總酸含量越低。結果表明,200 Da組的總酸下降量僅為9.82 g/L,降酸效果較差。

2.3 不同膜截留分子質量對降酸黃酒風味物質的影響

揮發性風味物質是評價黃酒風味的重要指標,實驗采用固相微萃取技術(solid-phase microextraction,SPME)結合GC-MS分析鑒定黃酒樣品的揮發性化合物成分及含量,對比各處理組風味物質的損失情況。黃酒樣品中共檢測到32種揮發性風味物質,具體含量見表4。由圖4可知,原樣中風味物質總含量最高(2 399.23 mg/L),200 Da膜處理組次之,為1 975.80 mg/L(保留率82.4%),1 000 Da組為1 919.80 mg/L(保留率80.0%),未過膜組僅為1 727.04 mg/L(保留率72.0%)。對比揮發性風味物質保留率結果,采用200、1 000 Da膜進行預處理,可顯著降低樹脂對揮發性物質的吸附損失。在樹脂柱前增加膜預處理的工序,濾膜孔徑越小,被攔截的大分子物質越多,降酸黃酒的風味物質保留率就越高。

黃酒中的酸類化合物是重要的呈味物質,屬于酵母發酵的次級代謝產物,可與醇類化合物反應生成酯類[16],對酒的風味起到助香、協調和平衡的輔助作用。異戊酸在酸類中的含量最高,為84.80～133.21 mg/L,己酸次之,含量為6.25～24.30 mg/L。因正戊酸表現為汗臭味,異戊酸和己酸都帶有乳酪香、酸臭味[17],酸類化合物含量過高時會使黃酒的不良風味增加。

圖3 黃酒降酸過程的總酸變化Fig.3 Change of total acid in Huangjiu during deacidification

圖4 黃酒揮發性風味物質種類含量Fig.4 Contents of volatile flavor substances in Huangjiu

表4 黃酒揮發性成分含量 單位:mg/L

大部分醛類物質是在發酵過程中由氨基酸的脫氨和脫羧作用形成的[18]。醛類中乙醛的含量最高(10.30～18.54 mg/L),可能會造成黃酒的辛辣味;其次是糠醛,表現為杏仁香氣[19],200 Da組糠醛保留率最高為80.4%。醇類中含量較高的異戊醇和異丁醇屬于黃酒中的高級醇成分,高級醇是酒類發酵過程產生的主要副產物,也是酒中主要香氣和風味物質之一[20]。高酸黃酒中總酸含量較高,隨著陳釀時間的延長,促進了黃酒的酯化反應,使高酸黃酒酯香濃郁。除原樣外,各處理組中丁二酸二乙酯含量最高,乳酸乙酯次之,這2種物質都帶有果香。200 Da組的丁二酸二乙酯和乳酸乙酯的含量最高,分別為961.14 mg/L、785.71 mg/L,保留率分別達95.6%和74.4%。

2.4 揮發性風味物質的OPLS-DA分析

利用正交偏最小二乘法判別分析(orthogonal partial least squares discriminant analysis,OPLS-DA),可得到層次聚類分析(hierarchical cluster analysis,HCA)樹狀圖和變量投影重要性值(variable importance in projection,VIP)。圖5-a中,原樣與膜處理組之間的高度差異最大,單獨聚為一類;1 000 Da和2 000 Da組的相似度高,說明它們的整體風味差異較小。VIP值大于1常作為判別重要揮發性成分的標準,如圖5-b所示,異丁醇、2-乙?；量┑?1種揮發性成分的VIP值大于1,表明它們對不同處理組黃酒香氣差異的貢獻率更大,異丁醇也是不同麥曲釀造黃酒風味差異的關鍵物質[21]。

a-HCA樹狀圖;b-VIP>1的化合物圖5 基于OPLS-DA模型分析的HCA樹狀圖及VIP預測值Fig.5 HCA tree and VIP predicted value based on OPLS-DA model analysis

2.5 處理前后黃酒的感官分析

根據澄清度、顏色、醇香、陳香等9個感官屬性的評分,繪制的感官雷達圖見圖6。原樣的酸味得分最高,2 000 Da組的酸味得分最低,與總酸含量的結果相符。降酸處理對黃酒的醇厚感影響不大,對醇香、陳香的影響較大,這與乳酸乙酯、丁二酸二乙酯的含量下降相關[22]。因酸味、澀味得分越低,口感越好,所以將這兩者負值計分,得分為1 000 Da組>2 000 Da組>原樣>200 Da組。

圖6 黃酒感官評分Fig.6 Sensory score of Huangjiu

1 000 Da組其降酸效果略遜于2 000 Da組,而風味物質保留量明顯高于2 000 Da組。最后選擇1 000 Da濾膜,在25 ℃、1.0 MPa以及樹脂填充比10%條件下,對總酸含量為16.17 g/L的50 L黃酒進行膜處理-樹脂吸附中試實驗,處理時間2 h下的總酸去除率為57.7%,氨基酸態氮保留率為98.8%。

3 結論

本研究對膜分離部分的截留分子質量、料液溫度、運行壓力進行研究,得出裝置固定參數為溫度25 ℃,壓力1.0 MPa,進一步篩選得到D354樹脂的填充比為10%。該條件下,膜處理組的降酸效果為2 000 Da組>1 000 Da組>200 Da組,各組氨基酸態氮的保留率均大于90%。通過HS-SPME-GC-MS技術和感官評價分析,探究不同處理組間的揮發性風味物質和感官品質差異,200 Da組的風味物質保留率最高(82.4%),1 000 Da組的保留率為80.0%,2 000 Da組最低(71.2%)。綜合比較降酸效果、揮發性風味物質含量和感官評分,選擇1 000 Da濾膜用于高酸黃酒降酸裝置,中試實驗結果表明總酸下降率達57.7%,氨基酸保留率為98.8%,具有降酸與風味成分保留兼顧的效果。