桑葚米酒澄清处理对香气成分的影响

姚 远,陶玉贵,葛 飞,朱龙宝

(安徽工程大学 生物与化学工程学院,安徽 芜湖 241000)

桑葚米酒是以桑葚汁和大米为主要原料,经液化、糖化、发酵、澄清步骤酿造出的低度酒精饮品,其酒体鲜艳、口感独特、滋味丰富，富含花色苷等生物活性物质；同时桑葚中的活性物质还具有降低血糖、血脂、抗氧化[1-5]以及抗肿瘤[6]等多种保健作用。在桑椹米酒的储存过程中,由于米酒中富含蛋白质、果胶和多酚类物质,酒体容易出现浑浊从而影响米酒的食用品质[7-8],因此需要对米酒进行澄清处理。目前常用的酒类澄清剂主要是皂土、壳聚糖、明胶、鸡蛋清、果胶酶、硅藻土等。刘亚萍[9]等发现,经皂土和壳聚糖澄清处理后的石榴酒颜色透亮，感官品质较好。于润美[10]等采用皂土-壳聚糖作为复合澄清剂,对红树莓酒进行水浴澄清处理,澄清后红树莓酒的透光率可达91.26%。鲁榕榕[11]等研究了不同澄清剂对葡萄酒香气成分的影响,发现澄清剂会导致原酒部分香气成分的损失,但大部分主要香气成分都得到保留。

实验选取壳聚糖、皂土、明胶作为澄清剂考察了不同澄清剂对桑葚米酒澄清效果的影响,并选取皂土和壳聚糖为复合澄清剂，采用单因素及响应面实验分析了复合澄清剂配比、水浴时间、水浴温度对桑葚米酒澄清效果的影响,优化了桑葚米酒的澄清工艺,并对澄清前后桑葚米酒中香气物质进行了GC-MS分析,研究了澄清处理对桑葚米酒香气成分的影响,为桑葚米酒澄清工艺的开发和应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料与仪器

(1)材料与试剂。桑葚米酒(实验室自酿)；皂土、壳聚糖、明胶(食品级)；氯化钠(分析纯,国药集团化学试剂有限公司)。

(2)仪器与设备。HH-S4数显恒温水浴锅(常州普天仪器制造有限公司)；L-550离心机(湖南湘仪仪器开发有限公司)；GC-MS-OP 2010 plus(日本岛津公司)；手动固相微萃取进样器、100 μm PDMS萃取头(美国Supelco公司)；L3可见分光光度计(上海仪电仪器分析有限公司)。

1.2 方法

(1)桑葚米酒最佳透光波长的测定。蒸馏水作空白对照,桑葚米酒在8 000 r/min条件下离心10 min后取上清液在450～750 nm波长范围内对其进行透光率测量,确定最佳透光波长。

(2)桑葚米酒色度的测定。以蒸馏水作空白对照,分别测定桑葚米酒上清液在420 nm和520 nm处的吸光度,桑葚米酒的色度值:

A=A420+A520。

(3)澄清后桑葚米酒透光率的测定。取澄清后桑葚米酒20 mL在8 000 r/min条件下离心10 min后取上清液在最佳透光波长处测定其透光率。

(4)桑葚米酒中风味物质的分析[12]。采用顶空-固相微萃取(HS-SPME)法处理样品,取桑葚米酒8 mL加入到25 mL萃取瓶中,加入1.0 g NaCl,以聚四氟乙烯隔垫密封。将老化处理后的萃取针头插入萃取瓶中并推出萃取针头,样品置于45 ℃水浴中萃取45 min后拨出萃取头插入GC-MS分析仪器进样口,解析5 min后启动仪器采集样品数据。

①色谱条件[13]。色谱柱为DB-5MS(30 mm×0.25 mm,0.25 μm)；进样口温度为250 ℃；升温程序:35 ℃保持4 min,以10 ℃/min升至110 ℃,保持3 min,再以5 ℃/min升至150 ℃,保持2 min,最后以7 ℃/min升至230 ℃,保持6 min；载气(He)流速1.00 mL/min,压力53.5 kPa；不分流。②质谱条件。电离方式：电子电离(electron ionization,EI)源；电子能量70 eV；离子源温度230 ℃；采集模式：全扫描；四极杆温度150 ℃；质量扫描范围m/z 30～550；扫描速率769 u/s；质谱图利用NIST 08谱库进行检索。

GC-MS检测数据由岛津GC-MSD数据工作站进行处理,检测出的化合物与NIST08谱图库进行对比,对相似度大于80%的物质进行质谱图的比对和分析,同时参考相关文献确定桑葚米酒中风味物质的成分,利用峰面积归一法确定桑葚米酒中风味物质的相对含量。

(5)不同澄清剂对桑葚米酒澄清效果的影响。 皂土添加量对桑葚米酒澄清效果的影响：取20 mL桑葚米酒,分别添加皂土溶液0.1 g/L、0.2 g/L、0.3 g/L、0.4 g/L、0.5 g/L,充分搅拌后静置澄清48 h,测定桑葚米酒的透光率和色度。壳聚糖添加量对桑葚米酒澄清效果的影响：取20 mL桑葚米酒,分别添加壳聚糖溶液0.1 g/L、0.2 g/L、0.3 g/L、0.4 g/L、0.5 g/L,充分搅拌后静置澄清48 h,测定桑葚米酒的透光率和色度。明胶添加量对桑葚米酒澄清效果的影响：取20 mL桑葚米酒,分别添加明胶溶液0.1 g/L、0.2 g/L、0.3 g/L、0.4 g/L、0.5 g/L,充分搅拌后静置澄清48 h,测定桑葚米酒的透光率和色度。

(6)澄清工艺单因素实验。 澄清剂复合配比对桑葚米酒澄清的影响：取20 mL桑葚米酒,确定复合澄清剂添加量为0.6 g/L,复合澄清剂比例(皂土/壳聚糖)分别为1∶1、1∶1.5、1∶2、1∶2.5、1∶3时,在水浴温度为40 ℃下水浴处理40 min,澄清48 h后测定桑葚米酒的透光率和色度,考察复合澄清剂比例对桑葚米酒澄清的影响。水浴温度对桑葚米酒澄清的影响：取20 mL桑葚米酒,添加0.6 g/L(皂土/壳聚糖)为1∶2.5的复合澄清剂,充分搅拌后分别在30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃、50 ℃条件下水浴40 min,澄清48 h后测定桑葚米酒的透光率和色度,考察水浴温度对桑葚米酒澄清的影响。水浴时间对桑葚米酒澄清的影响：取20 mL桑葚米酒,添加0.6 g/L(皂土/壳聚糖)为1∶2的复合澄清剂,充分搅拌后在40 ℃下分别水浴处理30 min、40 min、50 min、60 min、70 min,澄清48 h后测定桑葚米酒的透光率和色度,考察水浴温度对桑葚米酒澄清的影响。

(7)响应面实验优化设计。在单因素实验基础上,采用Box-Behnken法进行响应面实验设计,以复合澄清剂比例、水浴时间、水浴温度作为响应变量,桑葚米酒的透光率为响应值,并利用Design-Expert 8.0.5软件对实验数据进行处理。响应面实验因素水平表如表1所示。

表1 Box-Behnken响应面实验因素水平表

2 结果与分析

2.1 桑葚米酒最佳透光波长的确定

桑葚米酒吸收波长扫描图如图1所示。由图1可以看出,桑葚米酒在波长450～750 nm范围内的最大吸收波长为520 nm,为减小误差设定桑葚米酒色度值A=A420+A520；当波长超过600 nm时桑葚米酒的吸光度迅速减小,当波长达到700 nm时桑葚米酒的吸光度值<0.01,在此条件下测得桑葚米酒透光率的背景干扰和误差较小,因此选择700 nm为桑葚米酒最佳透光波长。

2.2 不同澄清剂对桑葚米酒澄清效果的影响

(1)皂土添加量对桑葚米酒澄清效果的影响如图2所示。由图2可知,未添加皂土澄清剂时桑葚米酒的透光率较低、色度较高,说明未经澄清处理的桑葚米酒颜色浑浊、澄清度较差。皂土吸水膨胀后会在溶液中形成胶体悬浮液,这些带有负电荷的悬浮颗粒与米酒中的蛋白质等带正电荷的浑浊物结合形成絮状沉淀,使米酒变得澄清。添加皂土后米酒的色度明显下降、透光率明显上升,且桑葚米酒的色度和透光率呈反比,随着皂土添加量的增加米酒的透光率呈先上升后下降的趋势,当皂土添加量达到0.3 g/L时桑葚米酒的透光率达到最大为92.7%,但皂土添加量超过0.3 g/L时米酒的透光率会略微下降。因此皂土添加量为0.3 g/L时米酒的澄清效果最好。

图1 桑葚米酒吸收波长扫描图 图2 皂土添加量对桑葚米酒澄清效果的影响

(2)壳聚糖添加量对桑葚米酒澄清效果的影响如图3所示。壳聚糖是一种有机澄清剂,其在稀酸溶液中会形成带正电荷的胶体悬浮颗粒,壳聚糖可以吸附米酒中带负电荷悬浮颗粒,从而使果胶等物质沉淀达到澄清的目的。由图3可知,米酒的透光率随着壳聚糖添加量的增加呈现先上升后下降的趋势,当壳聚糖添加量达到0.2 g/L时，米酒的透光率达到最大值92.9%,此时澄清效果最好。当壳聚糖添加量超过0.2 g/L,过量的壳聚糖会在米酒中形成胶体从而阻碍米酒的澄清。因此当壳聚糖添加量为0.2 g/L时，桑葚米酒的澄清效果最好。

(3)明胶添加量对桑葚米酒澄清效果的影响如图4所示。明胶是一种蛋白澄清剂,它能和酒中的单宁结合形成带正电荷的化合物,并吸附酒中带有负电荷的浑浊颗粒形成沉淀,从而达到使米酒澄清的效果。由图4可知,随着明胶添加量的增加米酒的透光率呈现先上升后下降的趋势,当明胶添加量为0.2 g/L时，米酒的透光率达到最大值82.2%,米酒澄清透亮。当明胶添加量超过0.2 g/L时，米酒的透光率降低,这是因为明胶浓度过大会使米酒变得粘稠反而不利于米酒的澄清。明胶相较于壳聚糖和皂土，其澄清效果较差,因此选用皂土和壳聚糖作为复合澄清剂。

图3 壳聚糖添加量对桑葚米酒澄清效果的影响 图4 明胶添加量对桑葚米酒澄清效果的影响

2.3 桑葚米酒澄清工艺单因素实验结果

(1)复合澄清剂比例对桑葚米酒澄清的影响如图5所示。经5种不同比例复合澄清剂澄清后桑葚米酒的平均透光率达到94.6%,澄清效果优于单一澄清剂。当皂土和壳聚糖比例为1∶2.5时，澄清效果最好,澄清后桑葚米酒的透光率达到96.5%。在米酒的澄清过程中，皂土主要吸附米酒中蛋白质等带正电荷的悬浮物,而壳聚糖主要吸附果胶等带负电荷的浑浊物,皂土和壳聚糖协同作用能提高桑葚米酒的澄清效果。但壳聚糖添加量过高会导致酒液粘度变大,桑葚米酒的澄清效果变差。

(2)水浴温度对桑葚米酒澄清效果的影响如图6所示。由图6可知,随着水浴温度的不断上升，澄清后桑葚米酒的透光率呈现先上升后下降的趋势。当水浴温度在30～40 ℃时,澄清后米酒的透光率不断上升，在40 ℃时透光率达到最大值95.9%。当水浴温度超过40 ℃，米酒的透光率又逐渐下降。随着温度的增加，部分蛋白质会沉淀析出,皂土和壳聚糖更容易与米酒中的蛋白质、果胶等浑浊物结合形成沉淀,但温度过高会导致桑葚米酒中花色苷等色素的降解从而使透光率降低,同时温度过高会造成米酒中部分风味物质的挥发从而影响桑葚米酒的风味。

图5 复合澄清剂配比对桑葚米酒澄清效果的影响 图6 水浴温度对桑葚米酒澄清效果的影响

图7 水浴时间对桑葚米酒澄清效果的影响

(3)水浴时间对桑葚米酒澄清效果的影响如图7所示。由图7可知,随着水浴时间的增加，澄清后米酒的透光率呈现先上升后下降的趋势，并在40 min达到最大值94.9%。合适的水浴时间能使澄清剂与蛋白质、果胶等物质充分结合形成沉淀,达到澄清的目的；但水浴时间过长会造成澄清剂粘度变大反而不利于米酒的澄清。

2.4 响应面实验优化桑葚米酒的澄清工艺

(1)桑葚米酒澄清工艺响应面优化结果与分析。利用Box-Behnken法设计响应面实验,以澄清剂复合配比、水浴温度、水浴时间为应变量,澄清后桑葚米酒的透光率作为响应值,优化桑葚米酒的澄清工艺参数。响应面优化实验结果如表2所示。

(2)响应面实验回归方程方差分析如表3所示。由表3响应面回归方程方差分析可知,方差分析结果表明模型极其显著(P<0.01),而失拟项不显著(P>0.05),且该模型的决定系数R2=0.963 4,说明该模型在线性范围内拟合度较好,实验误差较小,可以很好地预测桑葚米酒的澄清效果。模型中一次项A(复合澄清剂配比)、B(水浴温度),二次项BC(水浴温度*水浴时间)、A2、B2、C2对桑葚米酒透光率的影响极其显著(P<0.01)。一次项C(水浴时间)对桑葚米酒透光率影响显著(P<0.05)。根据F值可知各因素对桑葚米酒透光率影响大小顺序为：B(水浴温度)>A(复合配比)>C(水浴时间)。

采用Design-Expert 8.0.5软件对实验数据进行回归拟合分析,得到回归方程：

Y(透光率)=+94.86+0.67A-0.88B+0.43C-0.35AB-0.30AC-0.80BC-

1.73A2-2.33B2-2.73C2。

(3)水浴温度和水浴时间交互作用对桑葚米酒透光率的影响如图8所示。由图8可知，随着水浴温度和水浴时间的增加,澄清后桑葚米酒的透光率都呈现出了先上升后下降的趋势。在水浴处理40 min、水浴温度40 ℃左右时，桑葚米酒的透光率达到最大,澄清工艺中水浴时间和水浴温度的交互作用对桑葚米酒透光率的影响极其显著(P<0.01)。

表2 Box-Behnken响应面实验结果

表3 响应面实验回归方程方差分析

注：“**”表示极其显著,P<0.01；“*”表示显著,P<0.05。

图8 水浴温度和水浴时间交互作用对桑葚米酒澄清的影响等高线和响应面图

(4)利用Design-Expert 8.0.5软件对回归方程进行优化,得出桑葚米酒澄清工艺的最佳工艺条件为复合配比(皂土：壳聚糖)1∶2.60、水浴温度38.90 ℃、澄清时间40.99 min,结合实际选取复合配比1∶2.6、水浴温度39 ℃、水浴时间41 min,此条件下桑葚米酒的透光率达到95.6%，与预测值95.04%十分接近,表明该模型能较好地预测桑葚米酒的澄清效果。

2.5 澄清前后桑葚米酒中风味物质的变化

(1)桑葚米酒风味物质的GC-MS总离子图如图9所示。澄清前后桑葚米酒风味物质汇总表如表4所示。由图9和表4可知,澄清前桑葚米酒中共检测出49种风味物质,其中酯类物质20种、醇类物质8种、酸类物质5种、醛类物质3种、酚类物质3种、酮类物质2种、其他物质9种。澄清后的桑葚米酒中共检测出38种风味物质,其中酯类物质17种、醇类物质6种、酸类物质5种、醛类物质4种、酚类物质2种、酮类物质1种、其他物质3种。澄清后桑葚米酒中风味物质数量较澄清前有所减少,但作为酒类主要呈香物质的酯类和醇类物质基本被保留。澄清后对米酒风味有重要贡献的关键风味物质的相对含量有所上升,如乙酸异戊酯可以赋予酒类新鲜果香和苹果样的香气,澄清后桑葚米酒中乙酸异戊酯的相对含量达到了12.84%,明显高于澄清前的5.13%。苯乙醇作为一种芳香醇类,其香气阈值很低，香气值很高(浓度/阈值)并具有玫瑰花的香气,是形成酒类特殊风味的重要香气物质,澄清后桑葚米酒中苯乙醇的相对含量较澄清前也有很大提升。对米酒进行澄清处理会使米酒中的挥发性物质有所损失,但米酒中酯类和醇类等主要风味物质的相对含量都有所提升；同时,米酒中烃类等对风味无明显贡献的挥发性物质减少。

图9 桑葚米酒风味物质的GC-MS总离子图

表4 澄清前后桑葚米酒风味物质汇总表

编号醇类化合物分子式相对含量/%澄清前澄清后1苯乙醇C8H10O11.6215.452β-香茅醇C10H20O0.140.2135-甲基-2-庚醇C8H18O0.0841-十三醇C13H28O0.250.215橙花叔醇C15H26O0.190.156香柏醇C15H26O0.190.287法尼醇C15H26O0.461.028香叶基香叶醇C20H34O0.76

编号酸类化合物分子式相对含量/%澄清前澄清后1辛酸C8H16O20.761.42癸酸C9H20O20.40.663肉豆蔻酸C14H28O20.184棕榈酸C16H32O21.140.35亚油酸C18H32O21.670.616己酸C6H12O20.4

编号醛类化合物分子式相对含量/%澄清前澄清后1壬醛C9H18O0.090.112月桂醛C12H24O0.230.313棕榈醛C16H32O20.410.224癸醛C10H20O0.11

编号酚类化合物分子式相对含量/%澄清前澄清后12,4-二叔丁基苯酚C14H22O4.487.8422,6-二叔丁基-4-仲丁基苯酚C18H30O5.2934,4'-(1,4-亚苯基二异丙基)二苯酚C24H26O20.750.19

编号酮类化合物分子式相对含量/%澄清前澄清后1香叶基丙酮C13H22O0.182植酮C18H36O0.1132,2,4,4-四甲基-3-戊酮C9H16O0.14

编号其他化合物分子式相对含量/%澄清前澄清后14-甲基-3,5-二氧杂环戊烷C5H10BNO23.183.3424,6-二甲基十二烷C14H300.53十二烷C14H300.194十四烷C14H300.125十七烷C17H360.166二十一烷C21H440.17亚硫酸戊基十四烷C19H40OS0.3582,3,5-三甲基-1,4-苯醌C9H10O20.229亚硫酸,2-乙基己酯C12H28O3S0.16104-十八烷基吗啉C22H45NO3.211N,N-二甲基-1-十五胺C17H37N1.84

(2)澄清前后桑葚米酒中风味物质的数量和相对含量对比如图10所示。由图10可知,澄清前桑葚米酒风味物质中酯类物质和醇类物质的数量要多于澄清处理后的米酒,但澄清后的桑葚米酒中酯类和醇类物质的相对含量明显高于澄清前,同时酸类、醛类和酚类物质的相对含量有些许降低。这表明澄清前后桑葚米酒在风味组成上差异较大,澄清处理后米酒中对香气有重要贡献的酯类和醇类物质的相对含量分别提高了7.44%和3.63%,同时酸类等物质的相对含量降低,澄清处理使米酒在风味组成上更加协调,米酒的香气也更加浓郁醇厚。

图10 澄清前后米酒风味物质成分数量和相对含量对比

3 结论

实验研究了桑葚米酒的澄清工艺及澄清处理对桑葚米酒香气的影响。考察皂土、壳聚糖、明胶三种澄清剂对桑葚米酒澄清的影响,结果表明皂土和壳聚糖的澄清效果较好,澄清处理后米酒的透光率达92%以上。以皂土和壳聚糖作为复合澄清剂考察复合配比、水浴时间、水浴温度对桑葚米酒澄清效果的影响,优化桑葚米酒的澄清工艺,结果得出复合配比1∶2.6、水浴温度39 ℃、水浴时间41 min为最佳澄清工艺,此工艺条件下桑葚米酒的透光率达到95.6%。对澄清前后的桑葚米酒中风味物质进行GC-MS检测,结果表明澄清前后米酒中分别检测出49和38种挥发性物质,澄清后米酒中酯类和醇类物质基本保留,烷烃及其他对风味贡献较小的物质减少,澄清后桑葚米酒中酯类和醇类物质的相对含量上升,米酒中香气物质组成更加协调,酒体的香气也更加浓郁厚重。