響應面法優(yōu)化葡萄酒澄清工藝研究

響應面法優(yōu)化葡萄酒澄清工藝研究

透明是葡萄酒外觀質量的重要指標。渾濁的葡萄酒的審美質量通常很差。通常情況下,澄清的葡萄酒應具有光澤。優(yōu)良的葡萄酒必須澄清、透明(色深的紅葡萄酒例外)、光亮。在生產上通常需要通過人工方式,加速葡萄酒陳釀過程中的沉淀和絮凝反應。目前,葡萄酒的澄清主要是用助濾材料如明膠、皂土、PVPP(交聯(lián)聚維酮)和一些酶類等物質進行脫膠。紅葡萄酒中含有微量的蛋白質,但是其在葡萄酒的釀制過程中卻扮演著非常重要的角色;紅葡萄酒中主要的色素物質是花色苷類,花色苷是黃酮的一種,所有的花色苷都具有2-苯基-苯并吡喃陽離子結構。葡萄酒中蛋白質和一些色素的存在對葡萄酒的穩(wěn)定性有很大的影響。凹凸棒石(attapulgite)又稱坡縷石(palygorskite),是一種層鏈狀結構的含水富鎂鋁硅酸鹽黏土礦物,在礦物學上隸屬于海泡石族。其理想分子式為(Mg,AI,Fe)5Si8O20(HO)2(OH2)4·4H2O,理論的化學成分質量分數(shù)為SiO256.96%、(Mg,AI,Fe)O23.83%、H2O19.21%。凹凸棒石在水溶液中呈弱堿性,用電位計法可以測出其pH值在8~9之間。凹凸棒石是由眾多的硅氧四面體和鋁氧八面體的晶格組成,晶格中的Al3+或Si4+有一部分被Mg2+或Ca2+取代而使黏土晶格帶負電荷,為維護電中性,黏土表面吸附一些正離子,這些正離子在水介質中因水化而解離,于是黏土顆粒會帶負電荷。此外,凹凸棒石還具有較強的吸附作用,凹凸棒石具有特殊纖維狀晶體形態(tài)結構,具有較大比表面積,因此,凹凸棒石可通過范德華力和正負電荷吸引來吸附酒類、飲料等中的蛋白質、色素、單寧等懸浮微粒,從而出現(xiàn)絮狀沉淀,通過沉降過濾以達到澄清效果。凹凸棒石特殊的纖維結構、不同尋常的膠體、吸附等性能,被廣泛應用于化工、輕工、農業(yè)、紡織、建材、地質勘探、鑄造、硅酸鹽工業(yè)、原子能工業(yè)、環(huán)保及制藥等領域,有“千土之王”、“萬用之土”等美譽。1990年朱振海等根據《食品衛(wèi)生法》、《食品安全性毒理學評價程序(試行)》等法規(guī)要求,對凹凸棒石的衛(wèi)生安全性進行了科學評價,實驗證明,凹凸棒石是一種安全性較高的新型天然吸附劑、飼料添加劑等,與粉末活性炭、硅藻土等一樣,能夠作為食品加工助劑,供食品、飼料加工工業(yè)選用。因此凹凸棒石用作葡萄酒的澄清劑是安全可靠的。但有關用凹凸棒石對葡萄酒澄清的研究還未見報道。本實驗根據凹凸棒石的結構特點,對其改性條件和改性后的凹凸棒石對于葡萄酒的澄清性能進行研究。以期能夠為凹凸棒石在葡萄酒行業(yè)廣泛應用提供更多的參考數(shù)據。1材料和方法1.1材料和試劑凹凸棒石產自江蘇盱眙;紅葡萄酒原酒江蘇食品職業(yè)技術學院生物工程系葡萄酒車間釀制;鹽酸、硝酸、硫酸、氫氧化鈉、檸檬酸等均為分析純。1.2儀器、試藥和儀器756MC紫外-可見分光光度計、PHSJ-4A型酸度計、PHS-3C型精密pH計、HC-TPH-1托盤天平上海精密科學儀器有限公司;HHS型電熱恒溫水浴鍋上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠;800離心沉淀器上海手術器械廠;BS110S電子分析天平北京賽多利斯天平有限公司;SHZ-Ⅲ型真空泵上海亞榮生化儀器廠;1200液相色譜美國安捷倫公司;BCD-278YM容聲電冰箱廣東科龍(容聲)集團有限公司。1.3方法1.3.1硫酸溶液樣品ph值稱取一定量經預處理后的凹凸棒石,按固液比1:20(g/mL),分別加入1、2、3、4、5、6、7、8mol/L硫酸、硝酸和鹽酸,30℃恒溫振蕩60min,真空抽濾并用蒸餾水沖洗,至洗液pH值達中性為止;將改性的凹凸棒石烘干,研磨至100目以下,密封保存,即得到分別經硫酸、硝酸和鹽酸改性處理的凹凸棒石。1.3.2凹凸石懸浮液的制備稱取改性凹凸棒石5g于100mL燒杯中,用蒸餾水溶解,攪拌均勻,轉移至100mL容量瓶定容。即獲得50g/L凹凸棒石懸浮液。1.3.3酒液不同濃度對凹凸棒石清除率的影響用移液管分別移取經不同種類和濃度酸改性后的凹凸棒石懸浮液0.1mL添加到24個25mL比色管中,分別添加10mL酒液混勻(即凹凸棒石質量濃度0.5g/L),20℃振蕩10h離心分離,取上清液測定色度和澄清度。1.3.4酒液中凹凸棒石添加量的確定用移液管分別移取經3mol/L硫酸改性的凹凸棒石懸浮液0.0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9mL于10個250mL碘量瓶中,分別添加50mL酒液混勻(即凹凸棒石質量濃度0.0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9g/L),20℃振蕩10h離心分離,取上清液測定色度、澄清度、花色素苷和原花青素含量。1.3.5時間與澄清度、色度的關系考察隨時間的變化,凹凸棒石對澄清度、色度、花色素苷和原花青素作用效果,并找出不同時間與澄清度、色度之間的對應關系。取750mL酒液加入7.5mL凹凸棒石懸浮液(質量濃度0.5g/L),在20℃振蕩,分別在0、1、2、4、6、8、10、12、14、16、18h取50mL樣品,離心分離取上清液測定結果。1.3.6最佳溫度的確定考察隨溫度變化,凹凸棒石對葡萄酒澄清度和色度的作用效果,找出凹凸棒石作用的最佳溫度。取7個250mL碘量瓶分別加入0.5mL凹凸棒石懸浮液,再加入50mL酒液混勻,分別放在10、15、20、25、30、35、40℃水浴中振蕩10h取出,離心分離取上清液測定結果。1.3.7響應面優(yōu)化試驗設計在單因素試驗基礎上,選取影響葡萄酒澄清的主要因素凹凸棒石添加量、處理時間、處理溫度為自變量,以澄清度、花色素苷為響應值,根據Box-Behnken中心組合試驗設計原理設計三因素三水平的響應面分析試驗,其中12個點為析因點,5個為零點,因素水平見表1。1.3.8色度、花色素苷的測定澄清度測定:用680nm波長處的透光率表示;色度測定:用420、520nm和620nm波長處3者吸光度之和表示;花色素苷的測定:HPLC法;原花青素測定:低濃度香草醛鹽酸比色法。1.3.9葡萄酒感官評價標準葡萄酒的感官質量主要包括酒的色澤、澄清度、香氣、滋味和典型性5個方面,如表2所示。2結果與分析2.1酸濃度對改性凹凸棒石的吸附性能的影響從圖1可見,利用不同的酸對凹凸棒石進行改性,鹽酸和硫酸對凹凸棒石改性后的吸附性能相似,而硝酸對凹凸棒石改性后凹凸棒石的吸附性能要比鹽酸和硫酸對凹凸棒石的改性后的差一些,從酸濃度對改性的影響看,開始隨著酸濃度的增加吸附性能都快速增加,但當酸的濃度超過3mol/L以后,硫酸改性后的凹凸棒石吸附能力能基本不再增加,而經鹽酸和硝酸改性后的凹凸棒石其吸附能力有些下降。從實驗可以看出,3mol/L鹽酸和3mol/L硫酸對凹凸棒石改性時效果最佳,但考慮到經濟性,硫酸的價格要比鹽酸便宜,因此選用3mol/L硫酸作為改性劑。2.2凹凸棒石添加量對葡萄酒品質的影響由圖2可見,凹凸棒石添加量與澄清速度有一定的正比關系,隨凹凸棒石添加量的增多,葡萄酒澄清速度加快、澄清度高,但當達到一定值后就不再升高,其原因可能是凹凸棒石在酒中的吸附已達到平衡;凹凸棒石添加量達到0.5g/L后澄清度就不再升高;增大凹凸棒石的添加量雖然在一定程度上有助于提高葡萄酒的澄清度,但是會增加對色素的吸附;隨添加量的增加,色度值及花色素苷的含量呈下降趨勢,而原花青素的含量隨著添加量的增加變化不大,可能凹凸棒石對原花青素的吸附能力較差;并且凹凸棒石添加量增加使酒腳量增加,加大了酒液分離的困難,造成出酒率降低。因此在葡萄酒澄清時選用凹凸棒石的最佳添加量為0.5g/L左右。2.3葡萄酒澄清過程的吸附性初始活動由圖3可以看出,凹凸棒石處理0~10h,澄清度、色度、花色素苷含量都有很大的變化,原花青素含量變化不大;10h之后澄清度、色度、花色素苷雖然也有變化,但變化不大。因為每一種吸附劑的顆?；蚍肿由隙季哂卸鄠€吸附位點,數(shù)個溶質分子可以吸附到其表面上或通過交換作用進入到顆粒內部。在葡萄酒的澄清過程中,添加吸附性澄清劑并不意味著能使被吸附溶質的濃度下降到零。當溶質的濃度降低時,進一步被吸附的傾向也降低,吸附效率也趨于降低。凹凸棒石在澄清葡萄酒原酒時主要是正負電荷的吸附和凹凸棒石表面的吸附作用,在10h時凹凸棒石對葡萄酒原酒的吸附已接近吸附平衡,隨著溶質的降低,在隨后的時間內,凹凸棒石的吸附傾向也降低,故10h之后葡萄酒的澄清度雖然有上升的趨勢,但上升幅度不是很大;色度與花色素苷隨著時間的延長變化不是很明顯。而原花青素的含量始終變化不大,因而確定最佳吸附時間為10h左右。2.4色度、花色素苷的變化從圖4可以明顯看出,隨著凹凸棒石作用溫度的升高。原酒的澄清度有上升的趨勢,色度、花色素苷有下降趨勢,但都不是太大,原花青素變化也基本不變。結合表3可以看出,處理溫度在15~25℃時酒香、果香較好,但隨著凹凸棒石作用溫度的升高,原酒的果香味損失也呈上升趨勢,綜合考慮,選擇15~25℃作為最適作用溫度。2.5凹凸棒石對葡萄酒澄清度的影響按照Box-Behnken的中心組合試驗設計原理進行試驗,結果見表4。對表4數(shù)據進行方差分析,結果見表5。由表5回歸方程各項方差分析可見,凹凸棒石添加量的一次項和二次項影響極顯著,其次為處理時間的一次項和二次項影響高度顯著,凹凸棒石添加量和處理時間交互項影響顯著。處理溫度和其他項影響不顯著。失擬項P=0.441365>0.05,影響不顯著,說明該模型擬合程度良好,試驗誤差小。因此可以選用此模型來分析和預測凹凸棒石對葡萄酒澄清的工藝結果。從表6可看出,各回歸系數(shù)影響顯著性,各因素經回歸擬合后得到澄清度對凹凸棒石添加量、處理時間和處理溫度的二次多項式回歸方程為:Y=1.422+200.25X1-194.75X12+5.256X2-0.293X22+0.419X3+0.007X32+3X1X2-0.8X1X3-0.23X2X3。從表7花色素苷的方差分析可見,凹凸棒石添加量和處理時間對花色苷影響極顯著,處理溫度和交互項影響則不顯著。由表8可見各回歸系數(shù)的影響顯著性,各因素經回歸擬合后得到花青素含量對凹凸棒石添加量、處理時間和處理溫度的三次多項式回歸方程為:凹凸棒石添加量、處理時間和處理溫度對葡萄酒澄清度和花色素苷含量的響應面分析如圖5~10所示。由圖5~7可見,葡萄酒的澄清度隨著凹凸棒石添加量和處理時間上升先增大然后趨于平緩。處理溫度對葡萄酒澄清度影響比較平緩,隨著溫度的升高澄清度升高但不太顯著。由圖8~10可以看出,花色素苷開始隨著凹凸棒石添加量的增加其含量迅速降低其后處理平緩,隨著處理時間的延長花色素苷的含量下降沒有隨著凹凸棒石添加量變化迅速。處理溫度對花色素苷含量的影響不大。從響應面分析可知在能達到澄清度要求的前提下盡量減少凹凸棒石添加量和處理時間,盡量使葡萄酒中保留更多的花色素苷。進一步用Statistica軟件對試驗模型進行典型性分析,以獲得最好澄清度時各處理條件。經分析得:X1=0.56g/L、X2=11.2h、X3=19℃,即在凹凸棒石添加量0.56g/L、處理時間11.2h、處理溫度19℃時所得葡萄酒澄清度為90.6%。為了檢驗模型預測的準確性,在最優(yōu)條件下進行3組平行實驗,所得葡萄酒澄清度分別為90.45%、90.56%、90.63%平均值為90.55%(預測值和實測平均值之間誤差0.055%)。所得的回歸方程的最大預測值與驗證值非常接近,說明回歸方程能較真實地反映各篩選因素的影響,建立的模型與實際情況比較吻合。2.6酸改凹凸棒石處理對紅茶品質的影響2.6.1裝瓶前后二次混濁從表9可見,果膠酶法冷熱處理驗結果為陽性,說明此法澄清后仍有裝瓶后出現(xiàn)酒液混濁的可能。殼聚糖法、皂土法、凹凸棒石法冷熱處理實驗均為陰性,能有效地防止二次混濁現(xiàn)象的發(fā)生;自然存放穩(wěn)定期為5個月未見混濁,基本可以保證紅葡萄酒裝瓶后不發(fā)生混濁。2.6.2凹凸棒石澄清法對原酒的主要成分的影響由表10可看出,凹凸棒石澄清法澄清后總固形物含量20.5g/L,與殼聚糖法和皂土法相比變化不大;還原糖含量沒有明顯變化;總酸含量與原酒基本相同,與皂土法相比,酸度差別不大(pH3.46),基本與原酒相同,因此凹凸棒石澄清法對酸度的影響不大;花色素苷含量、色度與殼聚糖法及皂土法相比下降稍嚴重。這是因為凹凸棒石對色素類物質吸附程度稍大,但仍能保持紅葡萄的色澤不損失過大。原花青素含量、總SO2和游離SO2稍微減少。綜合比較結果可見,凹凸棒石澄清法對原酒葡萄的主要成分影響不大。其處理效果與殼聚糖法及皂土法相當。2.6.3原酒感官評定根據表2的感官評定評分標準分別采用果膠酶澄清法、殼聚糖澄清法、皂土澄清法和凹凸棒石澄清法于最佳條件下進行原酒的澄清后,取澄清的酒液進行感官評定。評定結果如表11所示。由表11可見,澄清后的綜合感官效果殼聚糖澄清法、皂土澄清法、凹凸棒石澄清法相當都優(yōu)于果膠酶澄清劑