柑果酒澄清工艺优化

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(1.吉首大学,林产化工工程湖南省重点实验室,湖南张家界 427000; 2.吉首大学,食品科学研究所,湖南吉首 416000)

椪柑果实出汁率高,富含糖类、VC以及胡萝卜素、钙、磷等营养成分,其制作而成的椪柑果酒兼具发酵酒和椪柑的营养成分、保健功能及风味,深受消费者喜爱[1]。但椪柑果酒在加工、贮藏过程中,易发生浑浊、沉淀、褐变等现象,严重影响其品质,产生原因主要包括生物因素、非生物因素两大类。生物性浑浊主要是指酵母菌、醋酸菌、乳酸菌或其它杂菌在酒体中繁殖并分泌代谢产物,破坏酒的胶体平衡,进而导致果酒浑浊;非生物性浑浊包括高低温、光照引起的铜、铁破败病等物理特征的浑浊,以及蛋白质、果胶、单宁和多糖类大分子在果酒中发生一系列缓慢化学反应而导致的化学特征的浑浊[2]。因此,为保证酒体的澄清度和稳定性,需要进行澄清处理。

果酒澄清方法包括自然澄清法、冷热澄清法、澄清剂法、加酶澄清法等[3-4]。众多学者对澄清剂法进行了研究,研究重点集中在壳聚糖、明胶、皂土在果酒澄清中应用[5-6]。张超等[7]研究柑橘果酒发现,澄清剂法最优,效果稳定。简清梅等[8]研究表明果胶酶、明胶、皂土构成的复合澄清剂对桔子酒冷处理后,酒体色泽明快,风味不变,这与夏冰冰等[9]研究有所不同。潘训海[10]研究表明,不同澄清剂对脐橙果酒的澄清效果不同,最佳澄清剂为明胶-皂土复合剂。李建婷等[11]在椪柑果酒澄清剂对比研究中发现,壳聚糖效果明显优于其它澄清剂。目前,柑橘类果酒的澄清工艺研究主要停留于多种澄清方法的对比及条件优化,并未对澄清剂法中的复合澄清剂配比及澄清条件作具体研究,而关于椪柑果酒的澄清工艺研究更少。混料设计作为工农业科学实验中经常运用到的实验设计方法,广泛应用于食品、制药等领域[12-14],但国内外暂无混料设计在椪柑果酒澄清方面应用的有关报道。

本实验采用壳聚糖、皂土、明胶及其复合澄清剂对椪柑果酒进行澄清,比较透光率、总酯、综合评价指标的变化。在此基础上,对复合澄清剂的配比及最佳澄清工艺条件进行优化,以期为椪柑果酒及相关产品的研发利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

椪柑果酒 酒精发酵后未进行其它处理,经测定,酒精度为12%,残糖含量为5 g/L,透光率为76%,总酯含量为8.04%，由湖南边城生物科技有限公司提供;皂土 粒度为600,上海市四赫维化工有限公司;明胶 天津市光复精细化工研究所;壳聚糖 脱乙酰度80%～95%,国药集团化学试剂有限公司;柠檬酸 长沙市湘科精细化工厂;氢氧化钠 重庆川东化工有限公司;硫酸 成都科龙化工试剂厂;以上试剂 均为AR级。

GZX-9246 MBE 数显热鼓风干燥箱 上海博迅实业有限公司医疗设备厂;JA-5103N 高精度电子天平 上海民桥精密科学仪器有限公司;HH.S 精密恒温水浴锅 江苏金坛市医疗仪器厂;SPX-250B-Z 型生化培养箱 上海博迅实业有限公司;PHS-25 数字式pH计 上海雷磁仪厂;85-2A数显恒温测速磁力搅拌器 金坛市白塔新宝仪器厂;UV-2550紫外可见分光光度计 日本岛津公司。

1.2 实验方法

1.2.1 澄清工艺步骤 椪柑果酒→粗滤→澄清剂处理→离心过滤→测定指标。

粗滤:将酒精发酵后的椪柑果酒经200目滤网过滤后,备用;澄清剂处理:将椪柑果酒等分成4份,分别使用皂土、壳聚糖、明胶及复合澄清剂处理后,备用;离心过滤:将经过澄清剂处理后的椪柑果酒在2000 r/min条件下离心8 min,后经过200目滤网过滤;测定指标:分别测定透光率、总酯及综合评价值。

1.2.2 澄清剂的配制 皂土溶液:称取10.0 g皂土,用90 mL水浸泡24 h,充分吸水膨胀后备用;壳聚糖溶液:称取2.0 g柠檬酸,加入96 mL的95 ℃热水溶解,再加入2.0 g壳聚糖,搅拌溶解,冷却后备用;明胶溶液:称取10.0 g明胶,用45 mL冷水浸泡30 min,再加入45 mL的95 ℃热水,搅拌溶解,冷却后备用。

1.2.3 单一澄清剂与复合澄清剂对比实验 取4份体积相同(1 L)的椪柑果酒于器型相同的容器内,在澄清剂用量1.5 g/L,澄清温度25 ℃,澄清时间24 h,搅拌速度150 r/min的条件下进行澄清,考察壳聚糖、皂土、明胶及其复合澄清剂(3种澄清剂质量比1∶1∶1)对椪柑果酒透光率、总酯含量和综合评价指标的影响。

1.2.4 复合澄清剂的配方优化 本实验使用Design-Expert 7.0统计软件,采用D-optimal混料设计方法对椪柑果酒的复合澄清剂配方进行设计优化,经过初步预实验后,将壳聚糖质量百分比(A)范围定为40%～60%,皂土质量百分比(B)范围定为20%～30%,明胶质量百分比(C)范围定为20%～30%,A+B+C=100。

1.2.5 复合澄清剂澄清条件的优化

1.2.5.1 单因素实验 基本澄清条件:复合澄清剂用量1.5 g/L,澄清温度25 ℃,澄清时间24 h,搅拌速度150 r/min。在其他条件不变的情况下,选取复合澄清剂用量0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 g/L,澄清温度5、15、20、25、30、35、40 ℃,澄清时间4、8、12、16、20、24、48 h,搅拌速度50、100、150、200、250、300 r/min进行单因素实验,以综合评价值为参考指标。

1.2.5.2 正交实验 在单因素实验的基础上,以澄清温度、澄清时间、澄清剂用量、搅拌速度为自变量,以综合评价值为因变量,进行L9(34)的正交实验设计,见表1。

表1 因素水平编码表Table 1 Factors and levels

1.2.6 评价指标及测定方法 透光率:可见分光光度计法,在680 nm下,用1 cm比色杯测定透光率;总酯含量:按照GB/T10345-2007中的总酯测定方法;综合评价值:结合透光率、总酯含量,按下式计算:

其中:透光率,%;总酯含量,g/L。

1.3 数据分析与处理

采用Design-Expert 7.0统计软件进行混料设计;采用DPS 6.55统计软件进行正交实验设计;采用Excel进行图表处理。

2 结果与讨论

2.1 单一澄清剂与复合澄清剂对比实验

图1为单一澄清剂及其复合澄清剂对椪柑果酒的透光率、总酯含量及综合评价影响柱状图。由图1可以看出,三种单一澄清剂对椪柑果酒的透光率、总酯含量和综合评价的影响有所不同。对于透光率指标,壳聚糖、皂土处理后的透光率差别不大,而明胶作用下透光率略低于前两者,原因在于明胶与单宁的配合使用效果较好。对于总酯含量指标,壳聚糖澄清后的椪柑果酒总酯含量最高,其次是皂土,最低的是明胶,表明壳聚糖澄清剂后椪柑果酒的总酯含量损失最小,原因可能是壳聚糖溶于稀酸溶液时,氢离子和氨基结合,形成带正电荷的分子,通过正负电荷的微粒作用,对蛋白质、果胶、单宁类等胶态颗粒物质有较强的凝聚能力,达到澄清目的的同时保持澄清前后的基本风味无较大变化[15]。对于综合评价值,在透光率、总酯指标变化的基础上,壳聚糖综合评价值最高,其次是皂土,最后是明胶。相比于单一澄清剂,复合澄清剂作用下的椪柑果酒透光率变化不大,而总酯含量以及综合评价值明显高于各单一澄清剂。

图1 不同澄清剂对椪柑果酒各指标的影响Fig.1 Effects of different clarifiers on the indicators of Ponkan fruit wine

2.2 复合澄清剂配方的优化

2.2.1 复合澄清剂混料设计及回归方程的建立 以A:壳聚糖添加量(%)、B:皂土添加量(%)、C:明胶添加量(%)为自变量,以透光率(%)、总酯含量(g/L)、综合评价值为因变量,进行混料设计。实验设计及结果见表2。

表3 不同指标的预测模型及方差分析Table 3 Predictive model in terms of different indicators and ANOVA

表2 实验设计及结果表Table 2 Experimental designs and results

为考察各因素对不同指标的响应作用,采用Design-Expert 7.0软件进行实验设计并建立回归方程,透光率、总酯含量以及综合评价值评价用Cubic分析模型。各指标的预测模型及方差分析见表3。

由表3可知,对于透光率、总酯、综合评价值三个指标,p<0.05,说明各模型回归显著,失拟项均不显著(p>0.05),R2均大于0.97,说明模型能够较好的拟合实验数据。

2.2.2 复合澄清剂配方对透光率、总酯和综合评价值的影响 混料设计中,各因素的变化对指标的影响可以在响应曲面图上描述。在本实验中,壳聚糖、皂土、明胶三者的交互作用对透光率、总酯含量以及综合评价的影响如图2所示。

图2a描述的是3种澄清剂配比对椪柑果酒透光率的影响作用,三角响应曲面图为一曲面,说明三者间具有一定的交互作用,从响应曲面中可以看到,在皂土百分含量较小处还是呈现一定的球形,随着明胶比例的增加,椪柑果酒透光率上升,随着皂土比例的增加,椪柑果酒透光率降低,原因是皂土比例并不是越高越好,过量的皂土不仅会导致口感严重下降,也会引起“二次浑浊”[15]。图2b描述的是3种澄清剂配比对椪柑果酒总酯含量的影响作用,三角响应曲面图为一曲面,说明三者间具有一定的交互作用,从响应曲面中可以看到,曲面呈现马鞍形,但靠近壳聚糖比例较大处、皂土比例较小处呈现一定的球形。图2c描述的是3种澄清剂配比对椪柑果酒综合评价的影响作用,三角响应曲面图为一曲面,说明三者间具有明显的交互作用,从响应曲面中可以看到,曲面呈现明显的马鞍形,说明分析效果不明显,原因可能是该指标是透光率、总酯含量两方面的综合评定。

通过Design expert 7.0软件多目标同时优化分析,得到具体优化方案为A∶B∶C(50.532∶23.499∶25.969),期望值为0.987。由优化结果的期望值可知,越接近1,综合评价越高,所以该方案可作为产品的优化配方。为了验证模型的准确性及计算方便,将配方修正为A∶B∶C(51∶23∶26)。

2.2.3 优化配方的验证实验 对修正方案进行验证实验(见表4)得出,各指标实测值与模型预测值较为接近,说明模型拟合度较好,可以利用该配方进行澄清条件优化实验。

2.3 椪柑果酒澄清条件的优化

表4 优化配方及验证实验结果表Table 4 Optimization and verifying test results

2.3.1 单因素实验结果

2.3.1.1 复合澄清剂用量对椪柑果酒综合评价的影响 由图3可知,复合澄清剂用量小于2.0 g/L时,椪柑果酒的综合评价逐渐上升;当用量超过2.0 g/L时,综合评价值下降明显,原因可能是添加量过高引起的“二次浑浊”[15]。

图3 不同复合澄清剂用量对椪柑果酒综合评价的影响Fig.3 Effect of different mixed clarifier dosages on the comprehensive assessment of Ponkan fruit wine

2.3.1.2 澄清温度对椪柑果酒综合评价的影响 由图4中可以看出,温度在20 ℃之前,综合评价值随时间上升较快;温度在20～30 ℃之间时,综合评价值基本不变;温度高于30 ℃,透光率下降显著,原因是温度升高,澄清剂的胶体作用强于架桥作用[2],澄清效果减弱,同时加速果酒中的蛋白析出而果酒浑浊、透光率下降,以及香气成分加速流失。

图4 不同澄清温度对椪柑果酒综合评价的影响Fig.4 Effect of different temperature on the comprehensive assessment of Ponkan fruit wine

2.3.1.3 澄清时间对椪柑果酒综合评价的影响 由图5可知,澄清时间高于12 h,综合评价变化不大,48 h后略微下降。澄清时间低于12 h,综合评价明显较低,可能是作用时间较短,导致澄清剂没有完全发挥作用。

图5 不同澄清时间对椪柑果酒综合评价的影响Fig.5 Effect of different clarifying time on the comprehensive assessment of Ponkan fruit wine

2.3.1.4 搅拌速度对椪柑果酒综合评价的影响 由图6可知,搅拌速度<150 r/min时,综合评价值上升不大;搅拌速度>150 r/min时,综合评价值下降明显,原因可能是较高的搅拌速度加速了总酯的流失,同时影响了澄清剂的架桥作用,导致酒体的透光率降低。

图6 不同搅拌速度对椪柑果酒综合评价的影响Fig.6 Effect of different stiring speed on the comprehensive assessment of Ponkan fruit wine

由图3～图6可知,澄清剂用量、澄清温度、澄清时间和搅拌速度对椪柑果酒的综合评价均有明显影响,基本呈现先上升后下降的趋势。根据各单因素实验结果,选取复合澄清剂用量1.5 g/L、澄清温度25 ℃、澄清时间20 h和搅拌速度150 r/min等澄清条件比较适宜。

2.3.2 正交优化实验结果 根据表5的极差分析(R值)可知,四个因素排列顺序为F>E>G>D,最佳组合为D2E2F2G2,即澄清温度25 ℃、澄清时间20 h、复合澄清剂量1.5 g/L、搅拌速度150 r/min,可作为椪柑果酒复合澄清剂的最佳澄清优化条件。

表5 实验设计及结果Table 5 Experimental designs and results

2.3.3 澄清条件的验证实验 为了验证正交优化结果的准确性,以D2E2F2G2组合进行三组平行验证实验。得到椪柑果酒透光率98.2%,总酯含量7.36 g/L,综合评价值为8.59,略大于正交实验中9个处理值,说明优化实验所得结果较为合理。

2.3.4 澄清前后各指标对比 对比未经澄清处理的椪柑果酒(WC)与使用优化条件处理后的椪柑果酒(YC)的透光率、总酯含量及综合评价值。由表6可知,透光率提高最明显;总酯含量有所损失,但相较于各单一澄清剂(图1),损失最小;综合评价值由7.82提高到8.59,说明澄清效果良好。

表6 澄清前后各指标对比Table 6 Comparison of indicators before and after clarification

3 结论

3种单一澄清剂与复合澄清剂(壳聚糖、皂土、明胶)对椪柑果酒的澄清对比实验表明,复合澄清剂的澄清效果最好。通过对复合澄清剂进行混料设计、建立回归方程及多目标优化分析,获得优化后的椪柑果酒复合澄清剂配方为:51%壳聚糖、23%皂土、26%明胶。在复合澄清剂单因素实验的基础上,通过正交设计优化,得到最佳澄清条件为:复合澄清剂量1.5 g/L、澄清时间20 h、搅拌速度150 r/min、澄清温度25 ℃。在此工艺条件下,椪柑果酒透光率达到98.2%、总酯含量为7.36 g/L,与未经澄清处理的椪柑果酒相比,透光率有较大提高,且总酯含量损失较小;且酒体颜色金黄,澄清透亮,有椪柑特征香气,口感协调,无异味。因而,选择适宜的复合澄清剂,不仅可以提高果酒的澄清效率、节约成本,也是今后的主要研究方向。

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