响应面法优化浓香型白酒降度除浊工艺研究

张春林，杨 亮，李 喆，甘广东，何珺珺

（茅台学院酿酒工程系，贵州 仁怀 564507）

中国白酒按照酒精度可划分为高度酒（酒精度41%vol～60%vol）和低度酒（酒精度18%vol～40%vol）[1]。其中，低度白酒是我国白酒行业发展的方向之一，浓香型低度白酒因其绵软适口的特点广泛受到消费者喜爱[2]，中国白酒消费主要以浓香型为主，市场占有率为51.01%，其中酒精度50%vol以下的降度白酒和低度白酒已占白酒消费市场的90%以上，目前市场上浓香型低度白酒的酒精度主要为38%vol和39%vol[3]。

低度白酒浑浊是影响低度白酒质量的原因之一[4]，目前，棕榈酸乙酯、油酸乙酯、亚油酸乙酯等油性高级脂肪酸酯被认为是导致白酒浑浊的主要物质，白酒在加浆降度或温度降低的过程中，因油性高级脂肪酸酯溶于乙醇而不溶于水，因而在白酒降度或者温度降低时溶解度减小，出现沉淀的现象[5]。合格的低度白酒必须要满足其感官质量要求，其色泽和外观必须要达到国标要求，在GB/T 10781.1—2006《浓香型白酒》中要求浓香型白酒合格产品的色泽和外观必须达到“无色或微黄，清亮透明，无悬浮物，无沉淀”的要求[6-7]。目前，解决因高度基酒降度造成的低度白酒浑浊问题的除浊方法已有多种，如加入表面活性剂、吸附剂、澄清剂或膜分离技术、冷冻过滤法等，其中应用最多的是冷冻过滤法和活性炭吸附法[8-10]。本试验用响应面法优化活性炭吸附低度酒除浊工艺条件，旨在为低度白酒的生产除浊提供一定的理论依据和技术指导。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

62%vol白酒：某浓香型白酒企业；活性炭：重庆飞洋活性炭制造有限公司。

1.2 仪器与设备

PWN2242ZH分析天平：奥豪斯仪器有限公司；WGZ-3-微电脑台式浊度仪：上海精胜科学仪器有限公司；7697A型气相色谱（gas chromatography，GC）仪：美国安捷伦科技有限公司；DP-1真空抽滤装置：佛山市华洋仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 活性炭除浊工艺

将浓香型基酒（62%vol）使用降度用水加浆降度为38%vol后，按0.25‰～1.50‰比例添加酒用活性炭，使用搅拌器搅拌20 min后，在-10～35 ℃下吸附6～36 h后过滤，测定过滤后得到的澄清酒体的浊度和酸酯含量，并组织白酒品酒师按照国标GB/T 13045—2007《白酒分析方法》中感官评定方法对酒体进行感官品鉴。

1.3.2 酸和酯的检测

酸和酯的检测参照国标GB/T 13045—2007《白酒分析方法》中指示剂法[11-13]。

1.3.3 感官品评试验

组织10名白酒评酒师参照国标GB/T 13045—2007《白酒分析方法》中感官评定方法对各酒样的感官质量进行品鉴，得出各酒样的评分后计算平均分（满分100分）[14-15]。

1.3.4 单因素试验

取降度后的基酒（38%vol）以活性炭为吸附剂，对影响除浊效果的3个因素即活性炭添加量（0.25‰、0.50‰、0.75‰、1.00‰、1.25‰、1.50‰），活性炭吸附时间（6 h、12 h、18 h、24 h、30 h、36 h），活性炭吸附温度（-10 ℃、-5 ℃、0 ℃、5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃）进行单因素试验，除浊方法按照1.3.1。

1.3.5 响应面设计

以活性炭添加量（A）、吸附时间（B）、吸附温度（C）为影响因素，以浊度（Y1）、感官评分（Y2）为响应值，采用Box-Behnken设计3因素3水平响应面试验，试验因素与水平见表1。

表1 Box-Behnken试验设计因子与水平Table 1 Factors and levels of Box-Behnken experiments design

1.3.6 数据分析

采用SPSS 19.0软件进行数据统计分析，Design-Expert 8.0软件绘制响应面曲线图[16]。

2 结果与分析

2.1 活性炭单因素除浊试验结果

2.1.1 活性炭添加量对除浊效果的影响

在20 ℃条件下，分别添加不同剂量的（用量范围为基酒的0～1.5‰）活性炭处理38%vol低度白酒24 h，过滤后测定样品的总酸、己酸乙酯、乙酸乙酯、丁酸乙酯、乳酸乙酯、浊度等指标，组织专业评委对酒样进行打分[17-18]。计算酸酯损失率、浊度平均值和感官评分平均分，结果见图1。

图1 活性炭添加量对低度白酒浊度和感官评分（A）以及酸酯损失率（B）的影响Fig.1 Effect of activated carbon addition on turbidity,sensory score (A)and acid ester loss rate (B) of low-alcohol Baijiu

由图1可知，活性炭添加量在0～0.75‰时，低度白酒的浊度逐渐降低，活性炭添加量超过0.75‰时，浊度略有下降，变化不大。活性炭添加量在0～0.75‰时，酸酯的损失较小，活性炭添加量超过0.75‰时酸酯损失较大。活性炭添加量在0～0.75‰时，感官评分逐渐增加，在活性炭添加量超过0.75‰时口感较淡，感官评分较低。综合考虑，活性炭最适添加量在0.75‰。

2.1.2 活性炭吸附时间对除浊效果的影响

在20 ℃条件下，按0.75‰的比例添加活性炭处理38%vol低度白酒，分别吸附不同时间（6～36 h），过滤后测定样品的总酸、己酸乙酯、乙酸乙酯、丁酸乙酯、乳酸乙酯、浊度等指标，组织专业评委对酒样进行打分。计算酸酯损失率、浊度平均值和感官评分平均分，结果见图2。

由图2可知，活性炭吸附时间在0～24 h，低度白酒的浊度逐渐降低，随着吸附时间的延长，浊度趋于稳定。活性炭吸附时间在0～24 h范围内，酸酯的损失较小，随着吸附时间的延长，酸酯损失率大幅度增加。随着活性炭吸附时间的增加，低度白酒的感官评分先增加后降低，吸附时间在0～24 h时，酒体口感爽净度增加，后尾干净，吸附时间超过24 h，酒体单薄，出现水味。综合考虑，活性炭最佳吸附时间为24 h。

图2 活性炭吸附时间对低度白酒浊度和感官评分（A）以及酸酯损失率（B）的影响Fig.2 Effect of activated carbon adsorption time on turbidity,sensory score (A) and acid ester loss rate (B) of low-alcohol Baijiu

2.1.3 活性炭处理温度对除浊效果的影响

在不同温度（-10～20 ℃）条件下，按0.75‰的比例添加活性炭处理38%vol低度白酒，吸附处理24 h过滤后测定样品的总酸、己酸乙酯、乙酸乙酯、丁酸乙酯、乳酸乙酯、浊度等指标，组织专业评委对酒样进行打分。计算酸酯损失率、浊度平均值和感官评分平均分，结果见图3。

由图3可知，活性炭处理温度在-10～-5 ℃之间，浊度逐渐降低，活性炭处理温度超过-5 ℃时，浊度逐渐增加，活性炭处理温度在-5 ℃左右时浊度最低，可能是由于引起白酒浑浊的高级脂肪酸及其酯类（棕榈酸、亚油酸、油酸及其酯类）在低温下溶解度降低而析出，经活性炭吸附和过滤处理后降低了白酒浊度，处理温度在-5 ℃时感官评分最高为90.8分。酸酯损失率随着处理温度的升高，先减少后增加。在-10～-5 ℃可能是低温冷冻对其酸酯损失率较大，随着温度的升高，活性炭吸附成为主要影响因素。综合考虑，活性炭最佳处理温度为-5 ℃。

图3 活性炭处理温度对低度白酒浊度和感官评分（A）以及酸酯损失率（B）的影响Fig.3 Effect of activated carbon treatment temperature on turbidity,sensory score (A) and acid ester loss rate (B) of low-alcohol Baijiu

2.2 响应面法优化与分析

2.2.1 响应面试验结果

为进一步研究变量之间交互作用的影响关系，使用响应面分析法筛选最佳活性炭吸附工艺。根据单因素试验结果，基于Box-Behnken采样原理，选取活性炭添加量（A）、活性炭吸附时间（B）、活性炭处理温度（C）3个因素为自变量，以浊度（Y1）和感官评分（Y2）为响应值，进行3因素3水平的响应面分析试验，试验结果见表2。

表2 除浊工艺优化响应面试验设计与结果Table 2 Design and results of response surface design for turbidity removal process optimization

运用Design-Expert 8.0软件对试验数据进行分析并进行多元回归拟合，得到二次多项回归方程：

对回归方程进行方差分析如表3、表4所示。从表3可以看出，模型的决定系数R2为0.988 8，说明模型具有较高显著性，调整决定系数R2adj=0.974 4，能够解释实97.44%的响应值变异，说明此试验模型与真实数据拟合程度良好。除浊条件对浊度影响大小顺序为吸附时间＞吸附温度＞活性炭添加量。二次项中吸附时间（A2）、活性炭添加量（B2）对浊度的曲面效应极显著（P＜0.01），在相互作用中，BC表现为显著（P＜0.05）。

表3 以浊度为评价指标的方差分析结果Table 3 Analysis of variance using turbidity as evaluation index

表4 以感官评分为评价指标的方差分析结果Table 4 Analysis of variance using sensory score as evaluation index

从表4可以看出，模型的决定系数R2为0.973 3，说明模型具有较高显著性，调整决定系数R2adj=0.938 9，能够解释93.89%的响应值变异，说明此试验模型与真实数据拟合程度良好。除浊条件对感官评分影响大小顺序为吸附温度＞吸附时间＞活性炭添加量。二次项中吸附时间（A2）、吸附温度（B2）、活性炭添加量（C2）对感官评分的曲面效应极显著（P＜0.01），在相互作用中，BC表现为显著。综上所述，可以用该模型分析和预测低度白酒除浊后的浊度和感官评分，预测模型具有实践指导意义。

2.2.2 响应面的交互作用分析

响应面曲面倾斜度越高，表示二者交互作用越显著[19-20]。不同因素水平交互作用对浊度的影响如图4所示，活性炭添加量-吸附时间交互作用对浊度的影响结果表明，浊度随活性炭添加量的增加先降低后增加，而随着吸附时间的延长浊度先下降后呈现稳定趋势，活性炭添加量-吸附温度交互作用对浊度的影响表现为浊度随着吸附温度的升高而上升，随着活性炭添加量的增加，浊度呈先下降后增加趋势。

图4 各因素交互作用对浊度影响的响应面和等高线Fig.4 Response surface plots and contour lines of effects of interaction between each factor on turbidity

不同因素水平交互作用对感官评分的影响如图5所示，活性炭添加量-吸附时间交互作用对感官评分的影响结果表明，感官评分随吸附时间、活性炭添加量和吸附温度的变化都呈现先增加后降低的趋势。

图5 各因素交互作用对感官评分影响的响应面和等高线Fig.5 Response surface plots and contour lines of effects of interaction between each factor on sensory score

2.2.3 最优工艺条件试验验证

为协同考虑各因素之间的交互作用对浊度、感官评分的影响，进一步确定最优工艺条件，通过选取浊度最低值、感官评分最高值得出最优活性炭处理参数，根据Design-Expert 8.0软件运行结果，浊度、感官评分在活性炭添加量、吸附时间、吸附温度等因素共同影响下的最优提取参数为活性炭添加量0.878‰、吸附时间24.373 h、吸附温度-4.967 ℃，在此条件下模型预测的浊度0.203 9 NTU、感官评分89.239 9分。

根据模型预测结果，结合实际可行性，取活性炭添加量0.88‰、吸附时间24 h、吸附温度-5.0 ℃为条件进行3次重复试验，得此条件下平均浊度为（0.22±0.06）NTU，平均感官评分为（90.5±3.0）分，与模型预测结果接近，表明基于该响应面模型分析优化低度白酒活性炭吸附工艺有效可行。

3 结论

使用活性炭对低度白酒进行吸附，以酸酯损失率、浊度和感官评分为评价指标，在单因素试验基础上进行响应面试验，得出适宜低度白酒吸附的最佳工艺条件为活性炭添加量0.88‰、吸附时间24 h、吸附温度-5.0 ℃。此优化条件下平均浊度为0.22 NTU，平均感官评分为90.5分。本研究为浓香型白酒降度除浊工艺及浓香型白酒低度酒的开发提供理论依据。