基于膜分离-树脂吸附的黄酒降酸工艺及风味评价

陈晨,谢海腾,赖敏辉,金青青,周建弟,钱斌,蒋予箭*

1(浙江工商大学 食品与生物工程学院,浙江 杭州,310018)2(绍兴海纳膜技术有限公司,浙江 绍兴,312000) 3(浙江古越龙山绍兴酒股份有限公司,浙江 绍兴,312000)

陶坛装黄酒在贮存陈酿过程中酸度因醇类物质的氧化而缓慢上升,最终对产品风味造成不良影响[1]。传统化学降酸法,如酒石酸钾、碳酸钾等,在食品工业领域较为常用[2],但其对黄酒风味具有一定影响,因此不适用于黄酒的降酸。离子交换树脂法是果酒降酸中较为常用的方法之一,具有对产品风味和感官特性损害小[3],可重复使用的优点。LI等[4]、李英蕊等[5]使用阴离子交换树脂分别处理浓缩葡萄汁、青桔汁,脱酸率可达60%以上。

膜分离技术可用于多组分的溶质和溶剂间的分离、提纯和浓缩,是一种以选择性栅栏作用为基础的现代分离技术[6]。在黄酒行业,膜分离技术多用于过滤、澄清或除菌等目的。滤膜孔径或截留分子质量是影响滤膜性能的重要参数[7],陈丽花等[8]使用10 kDa的超滤膜处理后的黄酒澄清度高,杂醇油含量降低,存放一段时间后浊度不超过2.0 NTU。料液的理化性质[9],装置的操作参数[10]等也都会影响滤膜在渗透速率和溶质截留方面的分离性能[11]。张雪艳等[12]利用中空纤维微滤膜,在40 kPa,125 L/h的最优工艺条件下,使黄酒中杂菌总数的去除率超过99.45%。

直接采用树脂吸附黄酒中的酸根离子,会存在无差别吸附问题,黄酒中的蛋白质、氨基酸等成分会污染树脂或被树脂吸附而降低其效率。因此,本文通过膜分离技术与树脂降酸法结合,以循环处理的方式进行高酸黄酒降酸,研究新的黄酒降酸方式的可行性。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

高酸黄酒,浙江古越龙山绍兴酒股份有限公司提供。

不同截留分子质量滤膜(主要参数见表1)、0.2 μm微滤膜,绍兴海纳膜技术有限公司;D354弱碱性阴离子树脂,郑州和成新材料科技有限公司;2-辛醇等常规试剂,分析纯,国药集团化学试剂有限公司。

表1 滤膜主要性能参数Table 1 Main performance parameters of filter membrane

1.2 仪器与设备

UFS-1812-1实验室多功能一体机,绍兴海纳膜技术有限公司;7000D三重四极杆气质联用系统,美国Agilent公司;50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取头,美国Supelco公司。

1.3 实验方法

1.3.1 理化指标的测定

总酸、氨基酸态氮:参照GB/T 13662—2018《黄酒》;酒精度:参照GB 5009.225—2016《酒中乙醇浓度的测定》;还原糖:参照GB 5009.7—2016《食品中还原糖的测定》。

1.3.2 高酸黄酒澄清液的制备

在室温下使用0.2 μm微滤膜,运行压力为0.2 MPa,对高酸黄酒进行过滤,制得的高酸黄酒澄清液作为样品备用。

1.3.3 膜通量和透过率

在一定时间内测定透过液的体积,根据公式(1)计算膜通量:

(1)

式中:V为透过液体积,L;A为膜有效面积,m2;t为获得一定体积渗透液所需时间,h。

物质的透过率计算如公式(2)所示:

(2)

式中:C0为原样中物质的质量浓度,g/L;C1为透过液中物质的质量浓度,g/L。

1.3.4 膜工艺参数的选择

在25 ℃,2.0 MPa的条件下,分别选用100、200、1 000 Da的滤膜对高酸黄酒样品进行过滤处理,对比不同截留分子质量滤膜对膜通量和总酸含量的影响。上述研究基础上,进一步完成了200 Da和1 000 Da滤膜在不同的料液温度(20、25、30 ℃)和运行压力(0.5、1.0、1.5 MPa)下的实验。

1.3.5 膜分离-树脂吸附装置降酸实验

D354树脂是由静态吸附动力学实验筛选得到的,对高酸黄酒中总酸具有选择性吸附的弱碱性阴离子树脂,并能较大程度保留其他风味成分。降酸后树脂的总酸吸附量和各指标的保留率分别以公式(3)、公式(4)进行计算。确定最佳树脂填充比后,选择200、1 000、2 000 Da的滤膜进行降酸装置处理,装置如图1所示,以未过膜树脂组进行比较,并对降酸黄酒进行挥发性风味物质的检测。

(3)

(4)

式中:C0为初始质量浓度,g/L;C1为吸附后质量浓度,g/L;V为样品体积,mL;M为树脂质量,g。

1-物料罐;2-高压泵;3-膜组件;4-流量计;5-树脂柱; 6-压力表;7-调节阀图1 降酸装置示意图Fig.1 Schematic diagram of acid lowering device注:未过膜处理组:仅移除膜组件3。

1.3.6 挥发性风味物质的测定分析

取2 mL黄酒样品、4 mL超纯水于15 mL顶空瓶中,加入2 g氯化钠充分摇匀,加入10 μL 2-辛醇溶液(101.8 mg/L),摇匀,盖上瓶盖[13]。使用50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取头(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测定。

GC-MS测定结果通过NIST14数据库检索进行定性分析,半定量分析是以2-辛醇为内标,挥发性物质含量按公式(5)计算:

(5)

式中:ρi为待测物质的质量浓度,μg/L;Ai为待测物质峰面积;A0为内标物峰面积;ρ0为内标物的质量浓度,μg/L。

1.3.7 感官评估

以澄清度、颜色、醇香、陈香、协调、酸味、涩味、醇厚、柔和这9个属性,根据黄酒品酒操作[14],对黄酒样品进行感官评分[15]。

1.4 数据分析

采用Excel、Origin 2018和Visio进行数据处理、图形绘制;使用SPSS进行显著性差异分析,以P<0.05为差异显著;采用SIMCA 14.1进行OPLS-DA统计分析。

2 结果与分析

2.1 黄酒脱酸工艺参数的选择

2.1.1 不同膜截留分子质量的影响

不同截留分子质量下透过液中总酸等的透过率见表2。高酸黄酒进行膜处理的目的是使较多的有机酸透过,尽可能多地保留氨基酸态氮、还原糖等物质。100 Da滤膜的总酸透过率只有27.12%,不符合进一步树脂脱酸的要求。200 Da和1 000 Da滤膜的总酸透过率较高(>80%),氨基酸态氮透过率适中,1 000 Da的膜通量高于200 Da滤膜。

表2 不同膜截留分子质量下透过率和膜通量Table 2 Permeability and membrane flux at different molecular weight of membrane interception

2.1.2 料液温度和运行压力的影响

随料液温度的升高,200 Da和1 000 Da滤膜的膜通量也得到提高,从20 ℃升温至30 ℃时的膜通量分别增加了46.59%、73.31%;温度对2种膜的总酸、氨基酸态氮透过率影响相似,温度升高其值略呈增加,1 000 Da的参数变化见图2。温度上升有利于提高膜通量,但30 ℃下运行时黄酒中挥发性成分的损失会较大,初步确定25 ℃作为工作温度。

在0.5、1.0、1.5 MPa的压力下,总酸的透过率没有显著差异(83.39%～83.51%),说明压力的变化对总酸透过率的影响不大。适当增加压力来提高膜通量,可提高降酸装置的工作效率。但黄酒样品在经过膜时会产生压差ΔP1,通过树脂柱时又产生另一个压差ΔP2,运行压力过大,ΔP1与ΔP2的差异就愈大,会影响系统的稳定性。根据膜通量和系统运行的稳定性观察,选择1.0 MPa作为工作压力比较合适。

a-总酸和氨基酸态氮透过率;b-不同温度和压力下膜通量图2 不同料液温度和运行压力下的透过率和膜通量Fig.2 Permeability and membrane flux at different liquid temperature and operating pressure注:不同组别标有不同小写字母表示组间差异显著(P<0.05)。

2.1.3 树脂填充比的影响

填充比是树脂质量与料液质量之比,填充比越大,总酸下降量越高,不同填充比下的总酸吸附量见表3。氨基酸态氮、还原糖、酒精的保留率随填充比的增加而逐步减小,但各填充比下它们的保留率都大于90%。

在相同填充比(6%)下,高酸黄酒经膜分离处理后,总酸的去除效果不如直接采用树脂吸附降酸,但氨基酸态氮等指标的保留率更高。根据总酸吸附量和各保留率结果,选择10%作为降酸装置的填充比。

2.2 不同膜截留分子质量对黄酒降酸效果的影响

不同膜处理组的降酸过程总酸含量变化见图3,截留分子质量越大,初始总酸下降的速率越快,结束时总酸含量越低。结果表明,200 Da组的总酸下降量仅为9.82 g/L,降酸效果较差。

2.3 不同膜截留分子质量对降酸黄酒风味物质的影响

挥发性风味物质是评价黄酒风味的重要指标,实验采用固相微萃取技术(solid-phase microextraction,SPME)结合GC-MS分析鉴定黄酒样品的挥发性化合物成分及含量,对比各处理组风味物质的损失情况。黄酒样品中共检测到32种挥发性风味物质,具体含量见表4。由图4可知,原样中风味物质总含量最高(2 399.23 mg/L),200 Da膜处理组次之,为1 975.80 mg/L(保留率82.4%),1 000 Da组为1 919.80 mg/L(保留率80.0%),未过膜组仅为1 727.04 mg/L(保留率72.0%)。对比挥发性风味物质保留率结果,采用200、1 000 Da膜进行预处理,可显著降低树脂对挥发性物质的吸附损失。在树脂柱前增加膜预处理的工序,滤膜孔径越小,被拦截的大分子物质越多,降酸黄酒的风味物质保留率就越高。

黄酒中的酸类化合物是重要的呈味物质,属于酵母发酵的次级代谢产物,可与醇类化合物反应生成酯类[16],对酒的风味起到助香、协调和平衡的辅助作用。异戊酸在酸类中的含量最高,为84.80～133.21 mg/L,己酸次之,含量为6.25～24.30 mg/L。因正戊酸表现为汗臭味,异戊酸和己酸都带有乳酪香、酸臭味[17],酸类化合物含量过高时会使黄酒的不良风味增加。

图3 黄酒降酸过程的总酸变化Fig.3 Change of total acid in Huangjiu during deacidification

图4 黄酒挥发性风味物质种类含量Fig.4 Contents of volatile flavor substances in Huangjiu

表4 黄酒挥发性成分含量 单位:mg/L

大部分醛类物质是在发酵过程中由氨基酸的脱氨和脱羧作用形成的[18]。醛类中乙醛的含量最高(10.30～18.54 mg/L),可能会造成黄酒的辛辣味;其次是糠醛,表现为杏仁香气[19],200 Da组糠醛保留率最高为80.4%。醇类中含量较高的异戊醇和异丁醇属于黄酒中的高级醇成分,高级醇是酒类发酵过程产生的主要副产物,也是酒中主要香气和风味物质之一[20]。高酸黄酒中总酸含量较高,随着陈酿时间的延长,促进了黄酒的酯化反应,使高酸黄酒酯香浓郁。除原样外,各处理组中丁二酸二乙酯含量最高,乳酸乙酯次之,这2种物质都带有果香。200 Da组的丁二酸二乙酯和乳酸乙酯的含量最高,分别为961.14 mg/L、785.71 mg/L,保留率分别达95.6%和74.4%。

2.4 挥发性风味物质的OPLS-DA分析

利用正交偏最小二乘法判别分析(orthogonal partial least squares discriminant analysis,OPLS-DA),可得到层次聚类分析(hierarchical cluster analysis,HCA)树状图和变量投影重要性值(variable importance in projection,VIP)。图5-a中,原样与膜处理组之间的高度差异最大,单独聚为一类;1 000 Da和2 000 Da组的相似度高,说明它们的整体风味差异较小。VIP值大于1常作为判别重要挥发性成分的标准,如图5-b所示,异丁醇、2-乙酰基吡咯等11种挥发性成分的VIP值大于1,表明它们对不同处理组黄酒香气差异的贡献率更大,异丁醇也是不同麦曲酿造黄酒风味差异的关键物质[21]。

a-HCA树状图;b-VIP>1的化合物图5 基于OPLS-DA模型分析的HCA树状图及VIP预测值Fig.5 HCA tree and VIP predicted value based on OPLS-DA model analysis

2.5 处理前后黄酒的感官分析

根据澄清度、颜色、醇香、陈香等9个感官属性的评分,绘制的感官雷达图见图6。原样的酸味得分最高,2 000 Da组的酸味得分最低,与总酸含量的结果相符。降酸处理对黄酒的醇厚感影响不大,对醇香、陈香的影响较大,这与乳酸乙酯、丁二酸二乙酯的含量下降相关[22]。因酸味、涩味得分越低,口感越好,所以将这两者负值计分,得分为1 000 Da组>2 000 Da组>原样>200 Da组。

图6 黄酒感官评分Fig.6 Sensory score of Huangjiu

1 000 Da组其降酸效果略逊于2 000 Da组,而风味物质保留量明显高于2 000 Da组。最后选择1 000 Da滤膜,在25 ℃、1.0 MPa以及树脂填充比10%条件下,对总酸含量为16.17 g/L的50 L黄酒进行膜处理-树脂吸附中试实验,处理时间2 h下的总酸去除率为57.7%,氨基酸态氮保留率为98.8%。

3 结论

本研究对膜分离部分的截留分子质量、料液温度、运行压力进行研究,得出装置固定参数为温度25 ℃,压力1.0 MPa,进一步筛选得到D354树脂的填充比为10%。该条件下,膜处理组的降酸效果为2 000 Da组>1 000 Da组>200 Da组,各组氨基酸态氮的保留率均大于90%。通过HS-SPME-GC-MS技术和感官评价分析,探究不同处理组间的挥发性风味物质和感官品质差异,200 Da组的风味物质保留率最高(82.4%),1 000 Da组的保留率为80.0%,2 000 Da组最低(71.2%)。综合比较降酸效果、挥发性风味物质含量和感官评分,选择1 000 Da滤膜用于高酸黄酒降酸装置,中试实验结果表明总酸下降率达57.7%,氨基酸保留率为98.8%,具有降酸与风味成分保留兼顾的效果。