響應(yīng)面法優(yōu)化濃香型白酒降度除濁工藝研究

張春林，楊 亮，李 喆，甘廣東，何珺珺

（茅臺(tái)學(xué)院釀酒工程系，貴州 仁懷 564507）

中國(guó)白酒按照酒精度可劃分為高度酒（酒精度41%vol～60%vol）和低度酒（酒精度18%vol～40%vol）[1]。其中，低度白酒是我國(guó)白酒行業(yè)發(fā)展的方向之一，濃香型低度白酒因其綿軟適口的特點(diǎn)廣泛受到消費(fèi)者喜愛[2]，中國(guó)白酒消費(fèi)主要以濃香型為主，市場(chǎng)占有率為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費(fèi)市場(chǎng)的90%以上，目前市場(chǎng)上濃香型低度白酒的酒精度主要為38%vol和39%vol[3]。

低度白酒渾濁是影響低度白酒質(zhì)量的原因之一[4]，目前，棕櫚酸乙酯、油酸乙酯、亞油酸乙酯等油性高級(jí)脂肪酸酯被認(rèn)為是導(dǎo)致白酒渾濁的主要物質(zhì)，白酒在加漿降度或溫度降低的過程中，因油性高級(jí)脂肪酸酯溶于乙醇而不溶于水，因而在白酒降度或者溫度降低時(shí)溶解度減小，出現(xiàn)沉淀的現(xiàn)象[5]。合格的低度白酒必須要滿足其感官質(zhì)量要求，其色澤和外觀必須要達(dá)到國(guó)標(biāo)要求，在GB/T 10781.1—2006《濃香型白酒》中要求濃香型白酒合格產(chǎn)品的色澤和外觀必須達(dá)到“無色或微黃，清亮透明，無懸浮物，無沉淀”的要求[6-7]。目前，解決因高度基酒降度造成的低度白酒渾濁問題的除濁方法已有多種，如加入表面活性劑、吸附劑、澄清劑或膜分離技術(shù)、冷凍過濾法等，其中應(yīng)用最多的是冷凍過濾法和活性炭吸附法[8-10]。本試驗(yàn)用響應(yīng)面法優(yōu)化活性炭吸附低度酒除濁工藝條件，旨在為低度白酒的生產(chǎn)除濁提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

62%vol白酒：某濃香型白酒企業(yè)；活性炭：重慶飛洋活性炭制造有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

PWN2242ZH分析天平：奧豪斯儀器有限公司；WGZ-3-微電腦臺(tái)式濁度儀：上海精勝科學(xué)儀器有限公司；7697A型氣相色譜（gas chromatography，GC）儀：美國(guó)安捷倫科技有限公司；DP-1真空抽濾裝置：佛山市華洋儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 活性炭除濁工藝

將濃香型基酒（62%vol）使用降度用水加漿降度為38%vol后，按0.25‰～1.50‰比例添加酒用活性炭，使用攪拌器攪拌20 min后，在-10～35 ℃下吸附6～36 h后過濾，測(cè)定過濾后得到的澄清酒體的濁度和酸酯含量，并組織白酒品酒師按照國(guó)標(biāo)GB/T 13045—2007《白酒分析方法》中感官評(píng)定方法對(duì)酒體進(jìn)行感官品鑒。

1.3.2 酸和酯的檢測(cè)

酸和酯的檢測(cè)參照國(guó)標(biāo)GB/T 13045—2007《白酒分析方法》中指示劑法[11-13]。

1.3.3 感官品評(píng)試驗(yàn)

組織10名白酒評(píng)酒師參照國(guó)標(biāo)GB/T 13045—2007《白酒分析方法》中感官評(píng)定方法對(duì)各酒樣的感官質(zhì)量進(jìn)行品鑒，得出各酒樣的評(píng)分后計(jì)算平均分（滿分100分）[14-15]。

1.3.4 單因素試驗(yàn)

取降度后的基酒（38%vol）以活性炭為吸附劑，對(duì)影響除濁效果的3個(gè)因素即活性炭添加量（0.25‰、0.50‰、0.75‰、1.00‰、1.25‰、1.50‰），活性炭吸附時(shí)間（6 h、12 h、18 h、24 h、30 h、36 h），活性炭吸附溫度（-10 ℃、-5 ℃、0 ℃、5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃）進(jìn)行單因素試驗(yàn)，除濁方法按照1.3.1。

1.3.5 響應(yīng)面設(shè)計(jì)

以活性炭添加量（A）、吸附時(shí)間（B）、吸附溫度（C）為影響因素，以濁度（Y1）、感官評(píng)分（Y2）為響應(yīng)值，采用Box-Behnken設(shè)計(jì)3因素3水平響應(yīng)面試驗(yàn)，試驗(yàn)因素與水平見表1。

表1 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)因子與水平Table 1 Factors and levels of Box-Behnken experiments design

1.3.6 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，Design-Expert 8.0軟件繪制響應(yīng)面曲線圖[16]。

2 結(jié)果與分析

2.1 活性炭單因素除濁試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 活性炭添加量對(duì)除濁效果的影響

在20 ℃條件下，分別添加不同劑量的（用量范圍為基酒的0～1.5‰）活性炭處理38%vol低度白酒24 h，過濾后測(cè)定樣品的總酸、己酸乙酯、乙酸乙酯、丁酸乙酯、乳酸乙酯、濁度等指標(biāo)，組織專業(yè)評(píng)委對(duì)酒樣進(jìn)行打分[17-18]。計(jì)算酸酯損失率、濁度平均值和感官評(píng)分平均分，結(jié)果見圖1。

圖1 活性炭添加量對(duì)低度白酒濁度和感官評(píng)分（A）以及酸酯損失率（B）的影響Fig.1 Effect of activated carbon addition on turbidity,sensory score (A)and acid ester loss rate (B) of low-alcohol Baijiu

由圖1可知，活性炭添加量在0～0.75‰時(shí)，低度白酒的濁度逐漸降低，活性炭添加量超過0.75‰時(shí)，濁度略有下降，變化不大。活性炭添加量在0～0.75‰時(shí)，酸酯的損失較小，活性炭添加量超過0.75‰時(shí)酸酯損失較大?；钚蕴刻砑恿吭?～0.75‰時(shí)，感官評(píng)分逐漸增加，在活性炭添加量超過0.75‰時(shí)口感較淡，感官評(píng)分較低。綜合考慮，活性炭最適添加量在0.75‰。

2.1.2 活性炭吸附時(shí)間對(duì)除濁效果的影響

在20 ℃條件下，按0.75‰的比例添加活性炭處理38%vol低度白酒，分別吸附不同時(shí)間（6～36 h），過濾后測(cè)定樣品的總酸、己酸乙酯、乙酸乙酯、丁酸乙酯、乳酸乙酯、濁度等指標(biāo)，組織專業(yè)評(píng)委對(duì)酒樣進(jìn)行打分。計(jì)算酸酯損失率、濁度平均值和感官評(píng)分平均分，結(jié)果見圖2。

由圖2可知，活性炭吸附時(shí)間在0～24 h，低度白酒的濁度逐漸降低，隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng)，濁度趨于穩(wěn)定?；钚蕴课綍r(shí)間在0～24 h范圍內(nèi)，酸酯的損失較小，隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng)，酸酯損失率大幅度增加。隨著活性炭吸附時(shí)間的增加，低度白酒的感官評(píng)分先增加后降低，吸附時(shí)間在0～24 h時(shí)，酒體口感爽凈度增加，后尾干凈，吸附時(shí)間超過24 h，酒體單薄，出現(xiàn)水味。綜合考慮，活性炭最佳吸附時(shí)間為24 h。

圖2 活性炭吸附時(shí)間對(duì)低度白酒濁度和感官評(píng)分（A）以及酸酯損失率（B）的影響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 活性炭處理溫度對(duì)除濁效果的影響

在不同溫度（-10～20 ℃）條件下，按0.75‰的比例添加活性炭處理38%vol低度白酒，吸附處理24 h過濾后測(cè)定樣品的總酸、己酸乙酯、乙酸乙酯、丁酸乙酯、乳酸乙酯、濁度等指標(biāo)，組織專業(yè)評(píng)委對(duì)酒樣進(jìn)行打分。計(jì)算酸酯損失率、濁度平均值和感官評(píng)分平均分，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，活性炭處理溫度在-10～-5 ℃之間，濁度逐漸降低，活性炭處理溫度超過-5 ℃時(shí)，濁度逐漸增加，活性炭處理溫度在-5 ℃左右時(shí)濁度最低，可能是由于引起白酒渾濁的高級(jí)脂肪酸及其酯類（棕櫚酸、亞油酸、油酸及其酯類）在低溫下溶解度降低而析出，經(jīng)活性炭吸附和過濾處理后降低了白酒濁度，處理溫度在-5 ℃時(shí)感官評(píng)分最高為90.8分。酸酯損失率隨著處理溫度的升高，先減少后增加。在-10～-5 ℃可能是低溫冷凍對(duì)其酸酯損失率較大，隨著溫度的升高，活性炭吸附成為主要影響因素。綜合考慮，活性炭最佳處理溫度為-5 ℃。

圖3 活性炭處理溫度對(duì)低度白酒濁度和感官評(píng)分（A）以及酸酯損失率（B）的影響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 響應(yīng)面法優(yōu)化與分析

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

為進(jìn)一步研究變量之間交互作用的影響關(guān)系，使用響應(yīng)面分析法篩選最佳活性炭吸附工藝。根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，基于Box-Behnken采樣原理，選取活性炭添加量（A）、活性炭吸附時(shí)間（B）、活性炭處理溫度（C）3個(gè)因素為自變量，以濁度（Y1）和感官評(píng)分（Y2）為響應(yīng)值，進(jìn)行3因素3水平的響應(yīng)面分析試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 除濁工藝優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 2 Design and results of response surface design for turbidity removal process optimization

運(yùn)用Design-Expert 8.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并進(jìn)行多元回歸擬合，得到二次多項(xiàng)回歸方程：

對(duì)回歸方程進(jìn)行方差分析如表3、表4所示。從表3可以看出，模型的決定系數(shù)R2為0.988 8，說明模型具有較高顯著性，調(diào)整決定系數(shù)R2adj=0.974 4，能夠解釋實(shí)97.44%的響應(yīng)值變異，說明此試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c真實(shí)數(shù)據(jù)擬合程度良好。除濁條件對(duì)濁度影響大小順序?yàn)槲綍r(shí)間＞吸附溫度＞活性炭添加量。二次項(xiàng)中吸附時(shí)間（A2）、活性炭添加量（B2）對(duì)濁度的曲面效應(yīng)極顯著（P＜0.01），在相互作用中，BC表現(xiàn)為顯著（P＜0.05）。

表3 以濁度為評(píng)價(jià)指標(biāo)的方差分析結(jié)果Table 3 Analysis of variance using turbidity as evaluation index

表4 以感官評(píng)分為評(píng)價(jià)指標(biāo)的方差分析結(jié)果Table 4 Analysis of variance using sensory score as evaluation index

從表4可以看出，模型的決定系數(shù)R2為0.973 3，說明模型具有較高顯著性，調(diào)整決定系數(shù)R2adj=0.938 9，能夠解釋93.89%的響應(yīng)值變異，說明此試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c真實(shí)數(shù)據(jù)擬合程度良好。除濁條件對(duì)感官評(píng)分影響大小順序?yàn)槲綔囟龋疚綍r(shí)間＞活性炭添加量。二次項(xiàng)中吸附時(shí)間（A2）、吸附溫度（B2）、活性炭添加量（C2）對(duì)感官評(píng)分的曲面效應(yīng)極顯著（P＜0.01），在相互作用中，BC表現(xiàn)為顯著。綜上所述，可以用該模型分析和預(yù)測(cè)低度白酒除濁后的濁度和感官評(píng)分，預(yù)測(cè)模型具有實(shí)踐指導(dǎo)意義。

2.2.2 響應(yīng)面的交互作用分析

響應(yīng)面曲面傾斜度越高，表示二者交互作用越顯著[19-20]。不同因素水平交互作用對(duì)濁度的影響如圖4所示，活性炭添加量-吸附時(shí)間交互作用對(duì)濁度的影響結(jié)果表明，濁度隨活性炭添加量的增加先降低后增加，而隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng)濁度先下降后呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)，活性炭添加量-吸附溫度交互作用對(duì)濁度的影響表現(xiàn)為濁度隨著吸附溫度的升高而上升，隨著活性炭添加量的增加，濁度呈先下降后增加趨勢(shì)。

圖4 各因素交互作用對(duì)濁度影響的響應(yīng)面和等高線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對(duì)感官評(píng)分的影響如圖5所示，活性炭添加量-吸附時(shí)間交互作用對(duì)感官評(píng)分的影響結(jié)果表明，感官評(píng)分隨吸附時(shí)間、活性炭添加量和吸附溫度的變化都呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。

圖5 各因素交互作用對(duì)感官評(píng)分影響的響應(yīng)面和等高線Fig.5 Response surface plots and contour lines of effects of interaction between each factor on sensory score

2.2.3 最優(yōu)工藝條件試驗(yàn)驗(yàn)證

為協(xié)同考慮各因素之間的交互作用對(duì)濁度、感官評(píng)分的影響，進(jìn)一步確定最優(yōu)工藝條件，通過選取濁度最低值、感官評(píng)分最高值得出最優(yōu)活性炭處理參數(shù)，根據(jù)Design-Expert 8.0軟件運(yùn)行結(jié)果，濁度、感官評(píng)分在活性炭添加量、吸附時(shí)間、吸附溫度等因素共同影響下的最優(yōu)提取參數(shù)為活性炭添加量0.878‰、吸附時(shí)間24.373 h、吸附溫度-4.967 ℃，在此條件下模型預(yù)測(cè)的濁度0.203 9 NTU、感官評(píng)分89.239 9分。

根據(jù)模型預(yù)測(cè)結(jié)果，結(jié)合實(shí)際可行性，取活性炭添加量0.88‰、吸附時(shí)間24 h、吸附溫度-5.0 ℃為條件進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，得此條件下平均濁度為（0.22±0.06）NTU，平均感官評(píng)分為（90.5±3.0）分，與模型預(yù)測(cè)結(jié)果接近，表明基于該響應(yīng)面模型分析優(yōu)化低度白酒活性炭吸附工藝有效可行。

3 結(jié)論

使用活性炭對(duì)低度白酒進(jìn)行吸附，以酸酯損失率、濁度和感官評(píng)分為評(píng)價(jià)指標(biāo)，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)，得出適宜低度白酒吸附的最佳工藝條件為活性炭添加量0.88‰、吸附時(shí)間24 h、吸附溫度-5.0 ℃。此優(yōu)化條件下平均濁度為0.22 NTU，平均感官評(píng)分為90.5分。本研究為濃香型白酒降度除濁工藝及濃香型白酒低度酒的開發(fā)提供理論依據(jù)。