活性炭对老陈醋催陈澄清作用的研究

夏瑶瑶，麻金花，闫裕峰，田 莉*，武耀文，郎繁繁，梁 楷，周景丽，张朝敏，郝静凤，张旭姣，杨文飞，赵彦淳

（1.山西紫林醋业股份有限公司，山西 太原 030040；2.山西省食品工业研究所，山西 太原 030024）

食醋是日常生活中必不可少的调味料。山西老陈醋以高粱、麸皮为主要原料，大曲为糖化发酵剂，经酒精发酵后，再经高温固态醋酸发酵、熏醅、淋醋、陈酿等工序酿制而成。新酿的老陈醋有刺激味、口感欠柔和、香气欠浓郁[1]；同时由于老陈醋具有丰富的营养物质，导致其在贮存的过程中蛋白质、还原糖、铁和单宁等物质会逐步凝聚，使老陈醋失光、浑浊甚至产生沉淀，严重影响老陈醋的感官指标[2-3]。为了提高老陈醋的风味，协调老陈醋味道，使醋液澄清，必须对新酿的老陈醋进行陈酿和澄清处理。

一般老陈醋陈酿与澄清的技术是分开实施的。老陈醋陈酿的方法有自然陈酿法与人工催陈法。自然陈酿可实现老陈醋色泽、香气、滋味及体态的形成，但条件不易控制、生产周期长[4]；在人工催陈方面，臭氧、太阳能、超声波等经研究可催陈老陈醋，从而缩短陈酿时间、改善陈酿环境，但各法均存在一定的局限性，难以实现大规模的工业化生产[5-7]。国内外对老陈醋澄清的研究主要涉及以下几方面：一是选择不同的澄清剂（如壳聚糖、膨润土及复合澄清剂等），该法澄清速度快、成本低，但需控制用量以防止老陈醋风味的改变；二是膜过滤技术，该技术操作简单、可保持老陈醋原有的风味与营养成分，但存在膜清洗再生困难、成本较高等问题；三是酶技术澄清法，酶法澄清可增加老陈醋的营养，但酶活性易受外界条件影响[8-11]。

活性炭是一种多孔材料，其内部孔隙结构发达，具有比表面积大、吸附能力强的特点。活性炭可选择性地吸附分子质量大、极性较强以及引起浑浊的物质，一般邪杂味物质大都极性较强，而呈香呈味的物质分子质量小、极性较弱，因此活性炭对醋液中的杂味及浑浊物有较强的吸附力；活性炭中含有氢、氧、氮、金属氧化物及微量金属元素，故活性炭还有催化的作用，可加快陈化过程中的酯化反应、缩合反应、氧化还原反应等的进行，从而缩短陈酿时间；同时活性炭性质稳定，无毒无味，绿色环保[12-16]。因此为了改善新酿的老陈醋的风味，使醋液澄清，可将活性炭应用于老陈醋的催陈澄清中，以保障老陈醋的品质。目前活性炭一般用于催陈白酒，对老陈醋的催陈作用研究较少；关于活性炭对老陈醋的澄清作用已有一定的研究，但并不全面，澄清处理工艺也不成熟。因此本试验以活性炭处理老陈醋，实现了催陈与澄清的双重作用，同时经响应面法试验确定最优的催陈澄清条件，以期为老陈醋的人工催陈及浑浊物的处理提供一定的技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

老陈醋：山西紫林醋业股份有限公司；YL-303 02-3活性炭（A）：南平元力活性炭有限公司；JT-201“汪洋”酒类专用活性炭（B）：重庆飞洋活性炭制造有限公司；YMT-992C酒类专用活性炭（C）：临沂蒙洁尔活性炭有限责任公司；葡萄糖、硫酸铜、酒石酸钾钠、氢氧化钠：天津欧博凯化工有限公司；铁氰化钾：天津市光复精细化工研究所。所用试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

TU-1810紫外可见分光光度计：北京普析通用仪器有限责任公司；WGZ-800浊度计：上海昕瑞仪器仪表有限公司；AXTGL 16M医用离心机：盐城市安信实验仪器有限公司；78-1型磁力电热搅拌器：江苏荣华仪器制造有限公司；AR124CN电子天平：奥豪斯仪器有限公司；202型电热恒温干燥箱：天津泰斯特仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 活性炭的筛选

取50 mL老陈醋，分别添加老陈醋质量1‰的三种活性炭，搅拌均匀后在20℃条件下处理4 h，将处理后的老陈醋5 000 r/min离心10 min，取上清液，进行相关指标的测定与比较，选取对老陈醋进行催陈澄清处理的最适活性炭。

1.3.2 单因素试验

活性炭用量对老陈醋催陈澄清效果的影响：取50 mL老陈醋，分别添加老陈醋质量0、0.2‰、0.4‰、0.8‰、1.0‰、1.2‰的活性炭，搅拌均匀后20℃处理4 h，将处理后的老陈醋5 000 r/min离心10 min，取上清液，进行指标测定，确定活性炭的最佳使用量。

澄清时间对老陈醋催陈澄清效果的影响：取50 mL老陈醋，按上述试验确定的最适用量添加活性炭，搅拌均匀后20 ℃分别处理0、1 h、2 h、4 h、6 h、8 h，将老陈醋5 000 r/min离心10min，取上清液，进行指标测定，确定最佳的澄清时间。

澄清温度对老陈醋催陈澄清效果的影响：取50 mL老陈醋，按上述试验确定的最适用量添加活性炭，搅拌均匀后分别于20℃、30℃、40℃、50℃、60℃条件下处理上述试验得出的最佳澄清时间，将老陈醋5 000 r/min离心10 min，取上清液，进行指标测定，确定最佳的澄清温度。

1.3.3 响应面法优化试验

在单因素试验的基础上，根据Box-Behnken中心组合设计原理，选取活性炭用量（X1）、澄清时间（X2）、澄清温度（X3）3个因素作为响应面法的考察因素，以老陈醋的总酯含量（Y1）及透光率（Y2）作为响应值，采用Design-Expert8.0.6软件，设计3因素3水平17个试验点的响应面分析试验，其编码因素与水平见表1。

表1 Box-Behnken试验因素与水平Table 1 Factors and levels of Box-Behnken experiments

1.3.4 测定方法

透光率：用分光光度计在波长970 nm处测定。

浊度：浊度计测定。

总酯、可溶性总固形物、总酸、还原糖、氨基酸态氮、不挥发酸、感官评价：按GB/T 19777—2013《地理标志产品山西老陈醋》[17]中的方法进行测定。

2 结果与分析

2.1 活性炭的筛选

表2 不同的活性炭对老陈醋各项指标的影响Table 2 Effect of different activated carbon on the various indexes in aged vinegar

由表2可知，3种活性炭对老陈醋催陈澄清的效果不同，处理后的老陈醋可溶性固形物、还原糖与氨基酸态氮含量没有显著性差异；活性炭A处理后总酯最高，即活性炭的催化作用促进了酯化反应的进行；透光率与浊度均反映老陈醋的澄清度，3种活性炭处理后老陈醋的透光率大小顺序为B＞A＞C，浊度为C＞A＞B，即活性炭B对老陈醋的澄清效果最好；活性炭A处理后的老陈醋总酸含量为5.71 g/100 mL，显著高于经活性炭B、C处理后老陈醋的总酸（P＜0.05），即活性炭B、C可能会吸附老陈醋中的部分有机酸，对总酸影响较大；活性炭A处理后不挥发酸也最高，故活性炭A的催陈效果最好；感官评价可知，老陈醋经3种活性炭处理后体态均一、清亮、口感柔绵、无杂味。由于活性炭A对老陈醋的酸值影响小且催陈效果最好，澄清效果略低于活性炭B，因此选取活性炭A即南平元力活性炭有限公司的YL-30302-3活性炭进行老陈醋的催陈澄清试验。

2.2 单因素试验结果

2.2.1 活性炭用量对老陈醋催陈澄清效果的影响

由表3可知，活性炭用量对总酸、氨基酸态氮含量没有显著性影响（P＞0.05）；总酯含量随活性炭用量的增加呈先增大后减小的趋势，当活性炭用量为1.0‰时总酯含量最高，为3.53 g/100 mL；透光率随活性炭用量的增加而增加，在活性炭用量为1.0‰时达最大值，继续增加用量透光率不会持续增加；浊度随活性炭用量的增加反而减小，在活性炭用量为1.0‰时达最小值，这是由于活性炭能够吸附老陈醋中的浑浊物，当吸附完全后，即达到澄清目的，继续增加用量澄清度也不会变化；可溶性固形物及还原糖含量在活性炭用量为1.0‰时均最低，即活性炭促进美拉德等反应的进行，从而消耗了还原糖，故加入活性炭起到了催陈的作用；不挥发性酸活性炭用量为1.0‰时最高；感官评价可知，老陈醋随着活性炭用量的增加其体态变得均一，也逐渐变得清亮，酸味的刺激性减弱，口感变得柔绵，杂味消失，在活性炭用量为1.2‰时感官品质最好，但活性炭用量为1.0‰时老陈醋已经香气纯正。综合考虑理化指标及感官品质，选择活性炭的最佳用量为1.0‰。

表3 活性炭用量对老陈醋各项指标的影响Table 3 Effect of activated carbon addition on the various indexes in aged vinegar

2.2.2 澄清时间对老陈醋催陈澄清效果的影响结果

表4 澄清时间对老陈醋各项指标的影响Table 4 Effect of clarification time on the various indexes in aged vinegar

由表4可知，澄清时间对老陈醋的总酸、还原糖、氨基酸态氮含量没有显著性影响（P＞0.05）；总酯含量在澄清4h与6 h时最高；透光率随澄清时间的增加呈增大的趋势，在4 h时达最大值，浊度随澄清时间的增加而降低，在4 h时最低，继续增加澄清时间浊度保持不变，即处理4h活性炭对醋液中的浑浊物已吸附完全；可溶性总固形物在澄清时间为4 h时最低，故4 h时已达到澄清的效果；不挥发酸在4 h最高；感官评价可知，老陈醋的感官指标随澄清时间的变化发生改变，4 h时醋液体态均一、清亮、无杂味，8 h时酯香味出现。综合考虑理化指标及感官品质，选择澄清时间为4 h，此时老陈醋的理化指标和感官指标已经达到了较好的状态。

2.2.3 澄清温度对老陈醋催陈澄清效果的影响结果

表5 澄清温度对老陈醋各项指标的影响Table 5 Effect of clarification temperature on the various indexes in aged vinegar

由表5可知，澄清温度对老陈醋的总酸及氨基酸态氮含量没有显著性影响（P＞0.05）；总酯在30℃时最高，为3.82g/100mL；透光率随温度的升高先增加后减小，在30℃时达最大值，为67.59%，浊度随温度的升高先降低后增加，在30℃时有最小值，为90.9NTU；可溶性总固形物在30℃最低；温度越高还原糖含量越低，在60℃时还原糖最低，可能是温度升高会促进美拉德等反应的进行，从而消耗了还原糖；不挥发酸在30℃时含量较高，继续升高澄清温度，其含量变化不显著（P＞0.05）；感官评价可知，老陈醋的感官指标随温度的变化发生明显的变化，温度越高醋液越浓稠，清亮程度也下降，醋味逐渐减弱，这是由于温度越高醋液中的一些物理化学及生物反应加快，导致老陈醋的品质发生变化。综合考虑理化指标及感官品质，选择澄清温度为30℃。

2.3 响应面优化试验结果

表6 Box-Behnken试验设计与结果Table 6 Design and results of Box-Behnken experiments

用Design-Expert 8.0.6软件对表6的结果进行分析，得到总酯（Y1）及透光率（Y2）的二次多项回归方程：

二次回归模型（1）的F值为11.48，P=0.0020＜0.01，模型达到了极显著水平。失拟项P=0.190 3＞0.05，差异不显著，故试验无失拟因素存在，可反映实际情况，所选的二次回归模型是适合的。回归模型的决定系数R2=0.9365，R2adj=0.8549，说明模型充分拟合试验数据，模型成立，可用此模型对试验进行分析和预测。模型的变异系数为3.06%，说明试验可靠。根据回归方程的方差分析，各因素对老陈醋总酯含量影响的主次顺序为：澄清时间＞澄清温度＞活性炭用量。模型中X22、X32对老陈醋总酯含量的影响达到极显著水平（P＜0.01）；X2、X3、X2X3对总酯含量的影响达显著水平（P＜0.05）；X1、X1X2、X1X3、X12对总酯没有显著影响（P＞0.05）。模型（2）的F值为21.90，P=0.000 3＜0.01，模型达到了极显著水平。失拟项P=0.445 2＞0.05，模型是适合的。决定系数R2=0.965 7，R2adj=0.9216，此模型可对试验进行分析。变异系数为1.25%，试验可靠。各因素对透光率的影响为：活性炭用量＞澄清温度＞澄清时间。X1、X12、X22、X32对透光率的影响达到极显著水平（P＜0.01）；X3、X1X2对透光率的影响达显著水平（P＜0.05）；X2、X1X3、X2X3对透光率没有显著影响（P＞0.05）。

用Design-Expert 8.0.6软件，根据回归方程分析，作三维空间的曲面图，结果分别见图1和图2。图1、图2反映了活性炭用量、澄清时间、澄清温度及其之间交互作用对老陈醋的总酯含量及透光率的影响。图1有最高点，即总酯有最大值，在固定其中两因素的条件下，总酯随着各因素的增加呈现先增加后减小的趋势。图1的坡度陡峭说明该因素对响应值的影响较大，而坡度平缓对响应值的影响较小，故可得出各因素对总酯含量影响的顺序为：澄清时间＞澄清温度＞活性炭用量，与方差分析结果一致。图2的响应面图有最高点，即老陈醋的透光率有最大值，透光率随各因素的增加先增加后减小。根据图2的坡度陡峭程度可得各因素对透光率影响的顺序为：活性炭用量＞澄清温度＞澄清时间，与方差分析结果一致。

表7 响应面试验结果方差分析Table 7 Variance analysis of response surface experiments results

图1 活性炭用量、澄清时间、澄清温度交互作用对老陈醋总酯含量影响的响应曲面与等高线Fig.1 Response surface plots and contour line of effects of interaction between activated carbon addition,clarification time and temperature on total ester contents of aged vinegar

图2 活性炭用量、澄清时间、澄清温度交互作用对老陈醋透光率影响的响应曲面与等高线Fig.2 Response surface plots and contour line of effects of interaction between activated carbon addition,clarification time and temperature on light transmittance

通过响应面优化试验得到老陈醋催陈澄清的最佳工艺条件为：活性炭用量为1.06‰，澄清时间4.16 h，澄清温度28.70℃，在此条件下，老陈醋的总酯含量为3.90 g/100 mL，透光率为69.99%。考虑到实际操作的可行性，将工艺修正为活性炭用量1‰，澄清时间4.2 h，澄清温度29℃。采用修正后的条件进行3次重复试验，测得总酯的平均值为3.86g/100mL，透光率为69.80%，基本与预测值一致，因此，采用响应面法得到催陈澄清老陈醋的最佳工艺条件可进行实际的操作。

3 结论

本研究使用活性炭处理老陈醋，在单因素试验的基础上，使用响应面法优化了老陈醋催陈澄清的条件，得出最佳的工艺参数为活性炭用量1‰，澄清时间4.2 h，澄清温度29℃，处理后老陈醋的总酯含量为3.86 g/100 mL，透光率为69.80%，醋液体态均一、清亮、口感绵柔、香气纯正。因此使用活性炭对老陈醋进行催陈澄清处理，可缩短陈酿的时间，同时有效去除了老陈醋中的浑浊物，提高了老陈醋的品质。

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