活性炭過濾對黃酒品質的影響

謝鈴,劉雙平,毛健,3,4*

1(江南大學 生物工程學院,江蘇 無錫,214122) 2(糧食發酵與食品生物制造國家工程研究中心(江南大學),江蘇 無錫,214122) 3(江南大學(紹興)產業技術研究院,浙江 紹興,312000)4(國家黃酒工程技術研究中心,浙江 紹興,312000)

黃酒采用的是雙邊發酵工藝,即邊糖化邊發酵。該發酵過程復雜,不僅產生了乙醇和風味物質,還生成了許多有益的功能性成分,如低聚糖、氨基酸、酚類、活性肽等,具有較好的降膽固醇、降血壓、抗氧化等功效[1]。但是發酵過程難免也會產生其他非喜好代謝物質,例如雜醇、生物胺、嘌呤、氨基甲酸乙酯(ethyl carbamate,EC)等。黃酒中雜醇主要來自發酵過程中氨基酸降解代謝和糖代謝2種合成途徑,適量的雜醇賦予了黃酒獨特的醇香和圓潤的酒體[2]。但雜醇的含量過高,致醉性越強[3]。黃酒中的生物胺主要來自于浸米和發酵工序,它是一類低分子含氮有機堿。過量的生物胺在人體內代謝較慢,飲后會有頭痛、惡心等癥狀,影響人體健康[4]。而嘌呤是一種雜環芳香有機化合物,是核酸的重要組成成分。在酒類中普遍存在。含量過高易使體內血尿酸升高[5]。氨基甲酸乙酯主要是由乙醇與氨甲酰化合物的反應產生,巫景銘等[6]研究發現,70%的氨基甲酸乙酯來源于煎酒與陳釀,微量存在于許多發酵食品和酒精飲料當中。

活性炭是一種采用優質煤、木材、椰殼等為原料,經一系列工序精制而成的吸附材料,其內部具有晶體結構和孔隙結構,外部擁有巨大的比表面積。具有物理和化學吸附的作用[7]。而酒類活性炭對酒體可以起到去濁、新酒催陳、去除異味及苦味、提高酒質等功能作用。研究表明,活性炭可吸附白酒中的雜醇[2]和啤酒中的嘌呤[5],以及黃酒中的氨基甲酸乙酯[8],對酒類的后期修飾具有較為顯著的作用。而利用活性炭對生物胺的吸附研究較少,主要采用生物酶法降解[9]。總體上活性炭應用于白酒的工藝較為廣泛,而應用于處理黃酒的工藝研究報道較少。

本研究以提升黃酒品質為目的,通過椰殼制成的粉狀酒類活性炭為吸附介質靜態處理黃酒。雖然對黃酒的色澤和風味有所損失,但是吸附了黃酒中異雜味、總酸以及雜醇、生物胺、嘌呤、氨基甲酸乙酯等非喜好代謝物質,整體提高了黃酒飲用舒適性和健康性。實驗中對活性炭添加量、吸附溫度及吸附時間進行探究,旨在獲得最佳的處理工藝,對黃酒工業化生產過程中品質的控制提供技術和參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紹興古越龍山半干型黃酒;酒類活性炭,平頂山市綠之原活性炭有限公司。

ZXGP-B2080電熱恒溫水浴鍋,上海智城分析儀器制造有限公司;自動電位滴定儀,上海儀電科學儀器股份有限公司;TRACE 1300氣相色譜儀,配有質譜檢測器,賽默飛世爾科技公司;固相微萃取PA萃取頭,美國Sigma-Aldrich公司;高效液相色譜儀A1100,安捷倫科技有限公司;EL3002分析天平,梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;高精度分光測色儀,美國HunterLab公司;ZGDCY-12S氮吹儀,上海梓桂儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 活性炭吸附工藝

各量取黃酒1 L,加入粉末活性炭配制成0、5、10、15、20、25、50 g/L溶液。在室溫下進行靜態吸附24 h。之后使用布氏漏斗進行3次濾膜抽濾。處理后的酒樣立刻進行相關指標檢測,之后放于4 ℃冰箱冷藏。綜合感官評價,得出活性炭的最適添加量,再進行下一步實驗。

1.2.2 色度測定

將黃酒樣品裝入石英比色皿后,使用色度儀進行色度測定,測試模式為透射,讀數以色度空間值L*、a*和b*表示,其中L*為明度(色澤的明亮度),a*為紅綠度(正數為紅色,負數為綠色),b*為黃藍度(正數為黃色,負數為藍色),重復3次[10]。

1.2.3 感官評價

綜合文獻[11],制定如表1所示評分表。邀請9位具有多年黃酒品鑒資格人員組成感官小組,對樣品進行隨機編號,去掉最高分和最低分,取平均分,滿分為100分。

表1 感官評價表Table 1 Sensory evaluation

1.2.4 酒精度、總酸、氨基酸態氮檢測

酒精度、總酸、氨基酸態氮檢測均依據：GB/T 13662—2018《黃酒》。

1.2.5 關鍵酯類物質檢測

采用頂空固相微萃取-氣相色譜-質譜聯用(headspace-solid phase micro extraction- gas chromatography- mass spectrometry,HS-SPME-GC/MS)技術,以10 μL 2-辛醇(10 mg/L)作為內標,同時測定內標物和代表性酯類物質成分的峰面積和相對響應值得出含量。具體參見王培璇等[12]的方法。

1.2.6 相關物質檢測

雜醇含量的的檢測參考參見黃桂東等[13]的方法;生物胺檢測參見國標GB/T5009.208—2016《食品中生物胺含量的測定》;嘌呤的檢測,采用離子交換固相萃取-反相高效液相色譜法,參見劉鎮等[14];氨基甲酸乙酯的檢測,采用HS-SPME/GC-MS法,參見劉俊等[15]。

1.2.7 工藝優化試驗

根據1.2.3節的結果,篩選出最適的活性炭添加量進行下一步工藝優化。分別置于不同溫度：4、15、25、35、45、55、65 ℃,不同時間：3、6、9、12、15、18、21、24 h進行吸附。

1.2.8 數據統計分析

每個樣品進行3次平行檢驗,將統計結果提交進行SPSS 25.0方差分析(ANOVA),然后對概率低于0.05的平均值進行比較(Tukey)。使用Origin 2021和Microsoft Excel軟件生成統計分析和圖表。

2 結果與分析

2.1 色度評價

由表2可知,與未添加活性炭的原酒樣相比,隨著活性炭添加量的增加,酒樣的明亮度逐漸增加,綠色和黃色逐漸減少,說明黃酒逐漸變淺色透明化。可見活性炭的添加對原酒的色度影響較大,其中對于黃色影響最大。當添加量達到50 g/L時,黃酒呈現近乎無色透明狀態。當活性炭添加量為5 g/L和10 g/L時,其明度無明顯差異,a*和b*值出現顯著差異(P<0.05)。

表2 色度評價結果Table 2 Chromaticity evaluation results

2.2 感官評價

表3感官評價結果表明,10 g/L活性炭添加量的酒樣得分比5 g/L活性炭量的酒樣得分略高,吸附了該黃酒輕微的異雜味,例如塑料味、酸嗖味、爛曲味等;酒樣彼此間色度差異不大。因此選擇10 g/L活性炭添加量作為后續研究對象進行探究。經10 g/L活性炭處理后酒樣顏色呈禾稈黃色,香氣濃郁度雖比原酒略有降低,但是削減了黃酒中不愉悅的異雜味,使得原酒中的米香、曲香、醇香與酯香表現得更加純粹,整體評價較高。

表3 感官評價結果Table 3 Sensory evaluation results

2.3 關鍵酯類物質檢測

對原酒樣、10 g/L與50 g/L活性炭添加量的酒樣進行關鍵酯類定量的對比分析,結果如圖1所示,10 g/L活性炭添加后黃酒的酯類物質稍有損失,但是能整體保留80%左右的風味物質骨架。王國安[16]使用酒類專用活性炭對白酒的酒尾進行異雜味去除,也發現還有很多呈味呈香物質被保留。而50 g/L活性炭添加量對黃酒中酯類物質吸附過多,其中乳酸乙酯、乙酸乙酯的含量損失最多,且處理后的黃酒風味寡淡。

圖1 關鍵酯類風味物質雷達圖

2.4 總酸與氨基酸態氮檢測結果

圖2-a總酸含量以10 g/L的活性炭添加量為臨界點,添加量<10 g/L時,總酸含量迅速降低;減少了黃酒酸度過高引起的刺激感。活性炭添加量>10 g/L時,總酸過低使得酒體失衡。當活性炭添加量為10 g/L時,氨基酸態氮損失不大,意味著對黃酒的質量等級影響較小[17]。

a-不同活性炭添加量,室溫下吸附24 h;b-10 g/L活性炭添加量,不同溫度吸附24 h;c-10 g/L活性炭添加量,室溫下吸附不同時間圖2 單因素試驗對總酸與氨基酸態氮含量的影響

圖2-b在不同吸附溫度條件下,活性炭吸附溫度在25～45 ℃總酸與氨基酸態氮維持在平穩水平,為合理溫度區間。但最低溫和高溫吸附處理對酒樣中總酸吸附無明顯效果,且氨基酸態氮的損失較大。圖2-c不同吸附時間顯示,活性炭添加3 h后總酸與氨基酸態氮的含量幾乎不變。

2.5 雜醇檢測結果

圖3-a表明,隨著活性炭用量增加,黃酒中雜醇逐漸下降。添加10 g/L活性炭的黃酒雜醇相對于原酒樣約降低了75 mg/L;添加50 g/L活性炭的黃酒雜醇含量約降低了266 mg/L,降低幅度巨大。其中對苯乙醇的吸附量最多,對正丙醇的吸附量最少。

a-不同活性炭添加量,室溫下吸附24 h;b-10 g/L活性炭添加量,不同溫度吸附24 h;c-10 g/L活性炭添加量,室溫下吸附不同時間圖3 單因素試驗對雜醇含量的影響

圖3-b表明,當吸附溫度升高,黃酒中雜醇含量變化為先降低后升高。以35 ℃為界,4～35 ℃時活性炭對于雜醇吸附量逐漸遞增;當溫度達到35 ℃以上時,溫度增加了分子間的熱運動,活性炭吸附加快的同時解吸附也變快,雜醇含量略有上升。圖3-c表明,3～6 h后活性炭對雜醇的吸附即可達到飽和量。

2.6 生物胺檢測結果

如圖4-a所示,隨著活性炭添加量逐漸增大,黃酒中的生物胺幾乎呈線性下降的趨勢,說明活性炭對生物胺具有明顯吸附作用。當活性炭的添加量達到50 g/L時,總生物胺含量從原來95.59 mg/L降低至51.02 mg/L。該酒樣中酪胺含量較多,活性炭對其吸附量也最大。對其他幾種生物胺均為少量吸附。生物胺吸附是由其芳香環的π系統與碳表面六邊形相互作用引起的[18]。

圖4-b所示,當溫度較低時,活性炭對生物胺的吸附力較小。逐漸升高溫度,活性炭吸附力越強,溫度在25 ℃和35 ℃時吸附最佳,兩者之間無顯著性差異。超過35 ℃之后,可能部分生物胺被解吸附,總生物胺含量反而上升。圖4-c所示,9 h以后10 g/L活性炭添加量達到吸附最大值,黃酒中的生物胺不再被吸附。

2.7 嘌呤檢測結果

圖5-a表明,隨著活性炭添加量逐漸增大,黃酒中總嘌呤含量逐漸降低,整體呈線性下降。當活性炭的添加量>15 g/L時,總嘌呤含量急劇下降。達到50 g/L活性炭添加量時,嘌呤的含量僅為35.31 mg/L。其中該活性炭對于黃酒中黃嘌呤的吸附量最大。

a-不同活性炭添加量,室溫下吸附24 h;b-10 g/L活性炭添加量,不同溫度吸附24 h;c-10 g/L活性炭添加量,室溫下吸附不同時間圖5 不同活性炭添加量對嘌呤含量的影響

圖5-b表明,可以看出當溫度較低時,活性炭對嘌呤的吸附量同樣較低。逐漸升高溫度,活性炭吸附力越強。25 ℃和35 ℃,活性炭吸附效果最佳,說明該溫度區間比較合適。與王海容等[19]研究活性炭吸附啤酒中嘌呤的研究結果一致。此時總嘌呤含量維持在80 mg/L左右,含量比原酒低16 mg/L左右。圖5-c表明,吸附時間>3 h后對于嘌呤含量的變化幾乎沒有影響,說明活性炭對嘌呤的吸附速度較快。

嘌呤是一類帶堿性有2個相鄰碳氮環的含氮有機大分子物質,含有極性基團,可被一些吸附劑作用[20]。對于有機物而言,其相對分子質量越大、沸點越高,不飽和性越大,則越易被吸附[7]。可見活性炭對大分子嘌呤類物質的吸附較快,效果較好。

2.8 氨基甲酸乙酯檢測結果

圖6-a顯示,由于EC的含量相對較低,5 g/L活性炭添加量對EC的吸附作用甚微,當添加量在10 g/L～20 g/L時對EC的吸附效果最為明顯,隨后到達飽和狀態。

a-不同活性炭添加量,室溫下吸附24 h;b-10 g/L活性炭添加量,不同溫度吸附24 h;c-10 g/L活性炭添加量,室溫下吸附不同時間圖6 單因素試驗對氨基甲酸乙酯含量的影響

圖6-b顯示,隨著溫度升高,活性炭對EC的吸附作用越來越大,黃酒中EC含量幾乎呈線性下降。因此推測此吸附過程為化學吸附,為吸熱反應。有別于活性炭對于其他物質的物理吸附,為放熱反應。溫度升高反而更有利于EC的吸附[15]。PARK等[21]也通過使用活性炭簡單過濾降低飲料酒中的EC含量。圖6-c顯示,當吸附時間>9 h,EC的含量幾乎不變。

2.9 活性炭過濾最佳處理工藝

根據表3感官評價結果得出活性炭的最佳添加量為10 g/L;以上不同物質的最適吸附溫度不同,綜合考慮選擇吸附溫度為35 ℃;關系到時間成本,確定吸附時間為9 h。表4為原酒樣與最佳工藝處理的前后綜合指標對比情況。

表4 酒樣處理前后綜合指標對比Table 4 Comprehensive comparison parameters of Huangjiu before and after treatment

3 結論

實驗研究表明,黃酒經過該活性炭過濾吸附后,其中的總酸、雜醇、生物胺、嘌呤、氨基甲酸乙酯均有不同程度的降低。確定了最佳活性炭使用工藝條件為：10 g/L活性炭添加量,35 ℃吸附溫度,9 h吸附時間。在此優化條件下,各項指標檢測結果顯示,總酸從原來的5.83 g/L降低至4.20 g/L,氨基酸態氮損失較少。總雜醇從原來的520.99 mg/L降低至446.88 mg/L,吸附率為14.22%。總生物胺從原來的95.59 mg/L降低至65.86 mg/L,吸附率為31.10%。總嘌呤從原來的103.47 mg/L降低至74.73 mg/L,吸附率為27.78%。氨基甲酸乙酯的含量從原來的203.38 μg/L降低至140.80 μg/L,吸附率為30.77%。活性炭添加量為10 g/L時,吸附率排序為生物胺>氨基甲酸乙酯>嘌呤>雜醇。吸附時間上得出,吸附速率排行為嘌呤>雜醇>生物胺>氨基甲酸乙酯,有可能各物質之間存在競爭吸附的作用。

本試驗開發了黃酒后期處理過程中添加活性炭的工藝技術。在盡量保持黃酒色度及原風味骨架的前提條件下,簡單高效地去除了不愉悅的異雜味,降低了黃酒生產過程中不可避免產生的非喜好代謝物質,提高了黃酒飲用健康性和舒適性。另外亦可以增大活性炭的添加量,把處理后的黃酒作為一種后期調配基酒使用。