基于超臨界CO2萃取技術(shù)提取釀酒黃水中風(fēng)味物質(zhì)

李安軍，劉國英，李蘭*，何宏魁，高江婧，王錄

1(安徽古井貢酒股份有限公司，安徽 亳州，236820) 2(安徽省固態(tài)發(fā)酵工程技術(shù)研究中心，安徽 亳州，23680)

黃漿水是濃香型白酒生產(chǎn)的副產(chǎn)物，其含有豐富的醇、醛、酸、酯等香氣成分，還含有淀粉、糖分、固形物及經(jīng)長期馴化的己酸菌、丁酸菌、酵母菌等有益微生物[1-3]。傳統(tǒng)的黃水中風(fēng)味物質(zhì)的提取方法，主要是蒸餾法，但產(chǎn)品質(zhì)量差、提取率低[4-5]。超臨界二氧化碳萃取技術(shù)具有純凈、安全、無溶劑殘留、提取率高、流程簡單、溶劑二氧化碳價格相對低廉且可循環(huán)使用等諸多優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域[6-7]，采用超臨界CO2萃取技術(shù)從黃水中得到的風(fēng)味成分，可用作勾兌白酒的生物功能性調(diào)味液，該調(diào)味液加入后可改善白酒風(fēng)味，提升白酒品質(zhì)[8]。因此本文以超臨界萃取技術(shù)為手段，從黃水中提取風(fēng)味成分，從而提高了白酒行業(yè)的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

黃漿水：取自古井貢酒正常釀酒生產(chǎn)車間窖池。

1.2 儀器與設(shè)備

HA221-40-11超臨界CO2萃取設(shè)備，南通儀創(chuàng)實驗儀器有限公司；Allegra 64R高速離心機，Beckman coulter公司；6890氣相色譜儀，安捷倫公司；H-CLASS超高效液相色譜儀，Waters公司；FE20K pH計，梅特勒公司等。

1.3 實驗方法

揮發(fā)性風(fēng)味成分測定方法：色譜柱CP-WAX57CB毛細管柱(50 m×0.25 mm×0.20 μm)；柱溫：二階程序升溫，初始溫度 35 ℃，保持2 min，以4 ℃/min升到100 ℃，再以10 ℃/min升到210 ℃，保持15 min；進樣口溫度230 ℃；檢測器溫度240 ℃；載氣：高純氮氣；柱頭壓：120 kPa；柱流量：1.36 mL/min；進樣量：1 μL。樣品前處理時，用96%乙醇稀釋后，需先用普通濾紙過濾，再用0.45 μm的微孔濾膜過濾。

乳酸檢測方法：色譜柱Inertsil ODS- 3，色譜分析條件：紫外檢測器，波長λ=210 nm；柱溫：40 ℃；流速：1.0 mL/min；流動相為 0.1 mol/L KH2PO4用H3PO4調(diào)pH為2.5。樣品用蒸餾水經(jīng)適當(dāng)稀釋后，用0.45μm的微孔濾膜過濾。

采用超臨界CO2萃取技術(shù)從黃水中提取風(fēng)味成分，綜合黃漿水萃取率和萃取物中總有效成分(總酯、總酸、醇類及醛類物質(zhì)之和)為考察指標，針對萃取條件(萃取壓力、乙醇夾帶劑添加量、萃取溫度)、分離條件(分離壓力、溫度、分離釜Ⅱ溫度)、分離時間及添加θ環(huán)填料等工藝參數(shù)考察對萃取率的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃漿水中風(fēng)味物質(zhì)及乳酸檢測

由表1可知，黃漿水中除了含有7%左右的酒精外，其酸類物質(zhì)含量最高，達到20 g/L以上，其次是酯類物質(zhì)，達到7.13 g/L左右，總醇含量均在1 g/L以下，總?cè)┖可跷?。黃漿水中的酸類物質(zhì)以乳酸含量最高，達到40 g/L左右，其次是乙酸，己酸和丁酸。醇類物質(zhì)中2,3-丁二醇含量較多，其總量在629.03～959.46 mg/L，占到總醇含量的75%以上。

表1 黃漿水的理化分析結(jié)果Table 1 The results of physical and chemical analysis of yellow water

注：a酒精含量為體積分數(shù)，b還原糖和c淀粉含量為質(zhì)量分數(shù)；除表中已標注的單位外，其余含量單位均為mg/L(酸度和pH無單位)。

2.2 萃取工藝條件對萃取得率的影響

2.2.1 萃取壓力對萃取得率的影響

不同壓力下黃漿水萃取產(chǎn)物的得率如圖1所示。相同萃取壓力下，萃取產(chǎn)物的得率隨著萃取時間的延長而不斷增加。萃取壓力越高，相應(yīng)的萃取產(chǎn)物的得率就越高。

圖1 不同萃取壓力對萃取物得率的影響Fig.1 The effect of pressure on the yield of extracts

雖然萃取壓力為25 MPa時，萃取產(chǎn)物的得率最高，達到9.33%，經(jīng)檢測萃取物中各組分的含量較低，因萃取物料大部分是水，隨著萃取壓力增大，水分被超臨界CO2拖帶出來的就越多，而有效香味成分增加并不多，導(dǎo)致萃取物香味成分的濃度較低，同時萃取壓力越大，對設(shè)備的要求就越高，因此綜合考慮，萃取壓力選定20 MPa。

2.2.2 乙醇夾帶劑對萃取率的影響

夾帶劑是指純CO2氣體中加入的一種少量的、可與之混溶的、揮發(fā)性介于被分離物質(zhì)與超臨界組分之間的物質(zhì)。夾帶劑對萃取過程具有顯著的影響，主要通過影響溶劑的密度和溶質(zhì)與夾帶劑分子間的作用力兩個方面來影響溶質(zhì)在CO2流體中的溶解度和選擇性。由于CO2是非極性物質(zhì)，單純的CO2只能萃取極性較低的親脂性物質(zhì)，對于極性較大的物質(zhì)萃取效果不理想，使用極性較大的夾帶劑可以改善極性組分在SC-CO2中的溶解度。本文所萃取的對象是釀酒發(fā)酵伴生物黃漿水，黃漿水中含有大量的極性分子，直接提取萃取率較低。為改變超臨界CO2對極性分子的低萃取率，在超臨界CO2萃取中可以添加極性分子乙醇作為夾帶劑，以提高黃漿水中香氣成分的萃取得率。

在相同的超臨界萃取工藝參數(shù)條件下，僅改變乙醇夾帶劑的用量，考察夾帶劑用量對黃漿水萃取得率的影響，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，添加乙醇夾帶劑后，萃取產(chǎn)物得率明顯增加。且乙醇夾帶劑含量越高，相應(yīng)的萃取產(chǎn)物得率就越高。

圖2 夾帶劑用量對萃取產(chǎn)物得率(A)和有效物質(zhì)總量(B)的影響Fig.2 The effects of entrainer on the yield of extracts(A)and the total amount of substance(B)

添加乙醇夾帶劑后，萃取的總有效物質(zhì)含量比不添加乙醇夾帶劑有較大幅度地增加，而添加5%乙醇和添加10%乙醇在相同時間內(nèi)萃取的總物質(zhì)含量基本一致。由于乙醇本身也極易被萃取出來，因而乙醇夾帶劑用量越多，導(dǎo)致萃取的產(chǎn)物得率也越高，但實際上萃取液的有效組分總量并未增加。由此可見，乙醇夾帶劑的最適用量應(yīng)為5%。

2.2.3 萃取釜溫度對萃取率的影響

在萃取釜壓力20 MPa，分離釜Ⅰ壓力6.5 MPa，溫度45 ℃；分離釜Ⅱ壓力4.5 MPa，溫度35 ℃的條件下，考察萃取釜溫度(35～60 ℃)對萃取物得率及有效物質(zhì)總量的影響。

由圖3可知，隨著萃取釜溫度的升高，雖然萃取物得率成遞增趨勢，但所萃取的有效物質(zhì)總量則呈先增大后減小趨勢。當(dāng)萃取溫度為50 ℃時，萃取物中的有效物質(zhì)總量最大。酒精包括其他醇類物質(zhì)的萃取得率均隨萃取溫度的升高而增大。因此可確定萃取釜較佳溫度為50 ℃。

圖3 萃取釜溫度對萃取物得率(A)和有效物質(zhì)總量(B)的影響Fig.3 The effect of extraction kettle temperature on the yield of extracts(A)and the total amount of substance(B)

2.3 分離條件優(yōu)化試驗

超臨界流體萃取工藝基本上是由萃取階段和分離階段組成的，所以分離條件仍對黃漿水實際的萃取率起著重要的作用。在本試驗中，采用二級分離，末端分離器Ⅱ始終保持該設(shè)備要求的CO2最低壓力4.5～5 MPa，采用單因素試驗對分離釜Ⅰ壓力、溫度，分離釜Ⅱ溫度3個因素進行考察，以確定黃漿水的較佳分離件。

2.3.1 分離釜Ⅰ壓力對萃取的影響

萃取條件：萃取釜壓力20 MPa，溫度50 ℃；選擇分離釜Ⅰ壓力分別為6.5、7、7.5、8 MPa，溫度均為45 ℃；分離釜Ⅱ壓力4.5 MPa，溫度35 ℃；考察分離釜Ⅰ壓力(6.5、7、7.5、8 MPa)對萃取物組分的影響(圖4)。

圖4 萃取釜Ⅰ壓力對萃取物得率(A)和有效物質(zhì)總量(B)的影響Fig.4 The effect of extraction kettle Ⅰ pressure on the yield of extracts(A)and the total amount of substance (B)

由圖4可知，隨著分離釜Ⅰ壓力的增大，分離釜Ⅰ收集到的萃取液得率逐漸降低，當(dāng)分離釜Ⅰ壓力為6.5 MPa時，所萃取的有效物質(zhì)的總量最大，隨壓力增大，有效物質(zhì)總量降低，因此選擇最適的分離釜Ⅰ壓力為6.5 MPa。

2.3.2 分離釜Ⅰ溫度對萃取的影響

萃取條件：萃取釜壓力20 MPa，溫度50 ℃；分離釜Ⅰ壓力6.5 MPa，分離釜Ⅱ壓力4.5 MPa，溫度35 ℃；分離釜Ⅰ溫度設(shè)定分別為30、35、40、45、50 ℃，考察分離釜Ⅰ溫度對萃取物組分的影響。

由圖5可知，分離釜Ⅰ溫度為30 ℃時，萃取物得率及有效物質(zhì)總質(zhì)量均較低。分離釜Ⅰ溫度為35 ℃以上時，萃取物得率均在5%左右，有效物質(zhì)總質(zhì)量也基本接近?？紤]到溫度越高，能耗越大，因此選定分離釜Ⅰ最佳的溫度為35 ℃。

圖5 分離釜Ⅰ不同溫度下萃取物得率(A)和有效物質(zhì)總量(B)的影響Fig.5 The effect of extraction kettle Ⅰ temperature on the yield of extracts(A)and the total amount of substance(B)

2.3.3 分離釜Ⅱ溫度對萃取的影響

萃取條件：萃取釜壓力20 MPa，溫度50 ℃；分離釜Ⅰ壓力6.5 MPa，溫度35 ℃；分離釜Ⅱ壓力4.5 MPa，分離釜Ⅱ溫度設(shè)定分別為25、30、35、40 ℃；考察分離釜Ⅱ溫度對萃取物組分的影響。

由圖6可知，當(dāng)分離釜Ⅱ溫度為25～30 ℃時，萃取物中總有效物質(zhì)含量較多，分離釜Ⅱ溫度為30 ℃時，萃取物中總有效物質(zhì)含量最多。30 ℃以上，溫度越高，有效物質(zhì)含量越低。

圖6 分離釜Ⅱ溫度對萃取物得率(A)和有效物質(zhì)總量(B)的影響Fig.6 The effect of extraction kettle Ⅱ temperature on the yield of extracts(A)and the total amount of substance(B)

由表2可知：萃取釜Ⅱ溫度越高，從分離釜Ⅰ解析得到的萃取物越多，而分離釜Ⅱ解析的萃取物越少，當(dāng)分離釜Ⅱ溫度達到40 ℃時，分離釜Ⅱ幾乎沒有物質(zhì)析出。當(dāng)分離釜Ⅱ溫度設(shè)定為30 ℃時，萃取物得率最高，達到4.71%。

表2 分離釜Ⅱ溫度對萃取物得率的影響Table 2 The effect of extraction kettle Ⅱ temperature on the yield of extracts

這說明分離釜Ⅱ設(shè)定的溫度影響有效物質(zhì)的析出，溫度越高，即使分離釜Ⅱ的壓力低，大部分有效物質(zhì)仍然溶解于CO2中而不解析出來。這部分溶于CO2的有效物質(zhì)隨著CO2進入循環(huán)體系，其中的一部分重新在分離釜Ⅰ中得到解析，因而溫度越高，分離釜Ⅰ解析出的物質(zhì)越多。

2.4 萃取時間對萃取的影響

萃取條件：萃取釜壓力20 MPa，溫度50 ℃；分離釜Ⅰ壓力6.5 MPa，溫度35 ℃；分離釜Ⅱ壓力4.5 MPa，溫度30 ℃；考察萃取時間對萃取率和萃取物總量的影響。

由圖7可知，隨著萃取時間的延長，萃取物的得率逐漸增加；有效物質(zhì)總質(zhì)量也呈現(xiàn)逐漸遞增的趨勢，但在60 min以后，遞增趨勢減緩。當(dāng)萃取時間為60 min時，有效物質(zhì)總質(zhì)量所占的比例為萃取100 min 的有效物質(zhì)總質(zhì)量的80%以上，即在萃取60 min后，用時花費40 min僅提取了約20%的有效成分，因此在 60 min 后延長萃取時間在經(jīng)濟上是不劃算的，因而可確定超臨界CO2萃取黃漿水最佳的萃取時間為60 min。

圖7 萃取時間對萃取物得率(A)和有效物質(zhì)總量(B)的影響Fig.7 The effect of extraction time on the yield of extracts(A)and the total amount of substance(B)

2.5 添加θ環(huán)填料對萃取的影響

萃取釜分別為底部直接進氣和添加θ環(huán)填料兩種情況，θ環(huán)填料裝于自制的不銹鋼網(wǎng)柱內(nèi)，進出較方便。萃取條件：萃取釜壓力20 MPa，萃取溫度50 ℃，分離器Ⅰ壓力6.5 MPa，溫度35 ℃，分離器Ⅱ壓力4.5 MPa，溫度30 ℃，CO2流量30 L/h，每 20 min收集提取物。

圖8 θ環(huán)填料對萃取物得率(A)和有效物質(zhì)總量(B)的影響Fig.8 The effect of the θ ring packing on the yield of extracts(A) and the total amount of substance(B)

由圖8可知，萃取釜中添加θ環(huán)填料可在一定程度上提高黃漿水的有效物質(zhì)萃取得率。造成萃取效果差異的主要原因可能是萃取釜添加填料后，一方面由于θ環(huán)填料形成的曲折通道使上升的CO2在黃漿水物料中的停留時間延長，同時填料對上升的CO2也會產(chǎn)生分散作用，增加了與黃漿水的接觸面積，增強了傳質(zhì)；另一方面，填料阻止了萃取液的返混，使萃取釜中的料液沿萃取方向呈現(xiàn)一定的濃度梯度，提高了黃漿水中的香味成分在溶劑流體中的平衡濃度，提高萃取速度。

3 結(jié)論

黃漿水中含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，綜合優(yōu)化利用黃漿水，提高黃漿水的利用率是白酒生產(chǎn)企業(yè)的重要研究方向。本研究采用超臨界CO2萃取技術(shù)對其風(fēng)味組分進行萃取，對黃漿水超臨界萃取工藝參數(shù)進行試驗，得到較佳的萃取條件，萃取壓力為20 MPa，萃取釜溫度50 ℃，分離釜Ⅰ壓力6.5 MPa，分離釜Ⅰ溫度35 ℃，分離釜Ⅱ壓力為4.5～5 MPa，分離釜Ⅱ溫度30 ℃，食用酒精夾帶劑用量為5%，CO2流量為30L/h，萃取釜中添加填料，1 h萃取率可達到7.4%。黃漿水綜合利用率的提高不僅能提高白酒生產(chǎn)企業(yè)的利益，還能減少白酒企業(yè)因黃水排放給環(huán)境帶來的污染，會產(chǎn)生諸多的社會效益。