金属填料对CO2萃取法生产低醇葡萄酒的影响

杨 帆，赵华

（天津科技大学 生物工程学院，天津300457）

葡萄酒是以葡萄或葡萄汁为原料，经全部或部分发酵酿制而成、含有一定乙醇度的乙醇饮品，富含白藜芦醇、单宁、花青素等成分，具有滋补护肤、抑癌抗瘤、促进食欲、消除疲劳、止血利尿等诸多养生和保健功能[1]。但是由于大多数葡萄酒中的乙醇体积分数为10%～16%，过量饮用易对人体的健康状况造成负面影响。随着人们对健康生活的重视，低醇葡萄酒的优势逐步凸显。低醇葡萄酒中乙醇体积分数较低，一般为0.5%～5.0%，可有效降低乙醇对人体的危害，而且低醇葡萄酒中富含的白藜芦醇、单宁、花青素和多种微量元素等物质质量浓度变化较小[2]。因此，低醇葡萄酒越来越受到生产者和消费者的青睐。

目前葡萄酒的脱醇方法呈现多样化趋势发展，尹卓容[2]通过真空蒸发法将葡萄酒的乙醇体积分数从11.7%降至7.0%；谭淑娟[3]等利用自制的PDMS平板复合膜经过渗透蒸发法可将葡萄酒的乙醇体积分数降至7%、4%和3%；PYLE L[4]利用旋转椎体法成功生产出低醇葡萄酒，且效率较高；高年发[5]等利用刮膜式分子蒸馏器进行分子蒸馏脱醇处理，将葡萄酒的乙醇体积分数由12.19%降至2.06%；高玉荣[6]等通过将红葡萄汁冷冻分离处理，获得低糖葡萄汁，并将其进行发酵处理，最终获得乙醇体积分数4%左右、口感颇佳的低醇葡萄酒。除此之外，还有酶法、热法、膜处理法、溶剂萃取法、降低发酵糖法和混合稀释法等[7-8]脱醇方法生产制备低醇葡萄酒。作者采用CO2萃取法生产低醇葡萄酒[9]，可以有效降低葡萄酒中的乙醇体积分数，同时对葡萄酒的品质影响较小[10]。与真空蒸发法、热法、旋转椎体法等[2，4]方法相比，CO2萃取法生产低醇葡萄酒的过程中不需要加热，易挥发组分损失较少，且降醇能力更高，保留了更多的营养成分，低醇葡萄酒的口感维持效果最佳；膜过滤法和混合稀释法虽然不存在以上弊端，但生产过程中需不断向酒中补充水，但由于有些国家禁止往葡萄酒中加水，所以此法可能涉及产品是否合法性的问题；冷冻法[6-7]可以有效地降低葡萄酒中的乙醇体积分数，口感颇佳，CO2萃取法与该法相比，最大的优势为投资成本低，生产效率高；与酶法、溶剂萃取法等相比，CO2萃取法不向葡萄酒中添加其他物质，且CO2容易去除，不影响葡萄酒的口感、品质。

本研究重点考察金属填料对CO2萃取法生产低醇葡萄酒的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

干红葡萄酒：市售；二氧化碳气体：圣楠特种气体经销公司；乙醇：色谱纯，天津市化学试剂二厂；7890A型气相色谱仪：安捷伦科技有限公司；填料萃取塔：自制；填料：天津天大天久科技有限公司；UVPC9110紫外分光光度计：北京瑞利分析仪器公司。

1.2 实验方法

1.2.1 最适金属填料的选择 常用萃取塔金属填料分为金属拉西环填料、金属鲍尔环填料、金属矩鞍环填料、金属网波形填料和θ环填料5种，依照控制单一变量的原则，依次改变金属填料高度、萃取温度和压力以及萃取塔内进料的气液体积流量比，再对乙醇体积分数进行测量，确定5种填料对低醇（低醇）葡萄酒酒精体积分数的影响，从而选择最适金属填料。

1.2.2 葡萄酒功效成分的测定 测定萃取前后葡萄酒中乙醇、高级醇类、总酯、双乙酰、醋嗡、总醛、总SO2、总糖、干浸出物、二氧化碳和总酚的质量浓度[11-15]。

1.3 低醇葡萄酒萃取工艺流程

萃取塔结构及工艺流程见图1。

2 结果与讨论

2.1 金属填料对脱乙醇能力的影响

金属填料分为金属拉西环填料、金属鲍尔环填料、金属矩鞍环填料、金属网波形填料和θ环填料5种，依照控制单一变量的原则，依次改变萃取塔内的金属填料高度、萃取温度和压力以及进料的气液体积流量比，再进行乙醇体积分数的测量。研究萃取塔内金属填料高度、萃取温度、压力和进料气液流量比对低醇葡萄酒乙醇体积分数的影响。

图1 萃取塔结构及工艺流程示意图Fig.1 Extraction column structural and process drawing

2.1.1 金属填料高度对金属填料脱乙醇能力的影响 在一定的压力（3.0 MPa）、温度（25℃）和气液体积流量比（10：1）的条件下，考察在 100、200、300、400、500 mm的金属填料高度下金属填料对脱乙醇能力的影响，结果见图2。

图2 金属填料高度和乙醇体积分数的对应关系Fig.2 Relationship of metal packing height and ethanol

由图2可知，在萃取温度、压力以及萃取塔内气液体积流量比一定的情况下，金属填料高度对填料的脱乙醇能力具有一定的影响。随着金属填料高度的增高，不同填料的萃取脱乙醇能力均提高。在金属填料高度为100 mm时，5种金属填料的脱乙醇能力基本相同，乙醇体积分数维持在11%左右。当金属填料高度达到300 mm时，金属拉西环填料、金属鲍尔环填料、金属矩鞍环填料、金属网波形填料和θ环5种填料所得乙醇体积分数分别为9.52%、9.09%、8.27%、7.66%、7.3%。 此外，通过分析各种填料乙醇体积分数的变化趋势可知，无论金属填料的高度如何变化，金属矩鞍环填料和金属网波形填料对乙醇的脱除能力基本相同，且比金属鲍尔环填料和金属拉西环填料高，其中金属拉西环填料对乙醇的脱除能力最低，θ环填料对乙醇脱除能力最高，故采用300 mm的金属填料高度进行后续实验。

2.1.2 萃取温度对金属填料脱乙醇能力的影响在萃取塔压力（3.0 MPa）、金属填料高度（300 mm）和气液体积流量比（10：1）不变的条件下，考察在10、15、20、25、30 ℃下金属填料对脱乙醇能力的影响，结果见图3。

由图3可知，在萃取压力、金属填料高度和萃取塔内气液体积流量比恒定的条件下，随着萃取温度的改变，5种金属填料的脱乙醇能力提高程度并不明显。在低温条件下，金属拉西环填料脱乙醇能力最差，金属鲍尔环填料脱乙醇能力也比较差，金属矩鞍环填料和金属丝波纹填料的脱乙醇能力始终相似，均比前者高，但始终低于θ环的脱乙醇能力。在20℃以后，葡萄酒的乙醇体积分数几乎不再发生改变，此时利用金属拉西环填料、金属鲍尔环填料、金属矩鞍环填料、金属网波形填料和θ环5种填料所得乙醇体积分数分别为9.57%、9.12%、8.31%、7.69%、7.32%。此外，通过分析各种填料的乙醇体积分数的变化趋势可以看出，5种金属填料的脱乙醇能力关系。其中，θ环填料的脱乙醇能力最强，金属网波形填料的脱乙醇能力次之，金属拉西环填料的脱乙醇能力最差，金属鲍尔环填料比金属拉西环填料的脱乙醇能力略强，金属矩鞍环填料的脱乙醇能力居中。在相同温度条件下，θ环填料的脱乙醇能力最高。故采用20℃进行后续实验。

2.1.3 萃取压力对金属填料脱乙醇能力的影响在萃取温度（20℃）、金属填料高度（300 mm）和气液体积流量比（10：1）相同的条件下，考察在 2、3、4、5、6 MPa的压力条件下金属填料对脱乙醇能力的影响，结果见图4。

由图4可知，在萃取温度、金属填料高度和萃取塔内气液体积流量比相同的条件下，随着萃取塔压力的增大，葡萄酒乙醇体积分数降低趋势明显。萃取塔压力达到4 MPa时，θ环所得的乙醇体积分数降至5%左右，此时利用金属拉西环填料、金属鲍尔环填料、金属矩鞍环填料、金属网波形填料和θ环5种填料所得乙醇体积分数分别是为7.48%、6.56%、5.87%、5.89%、5.13%。当萃取压力超过 4 MPa，乙醇体积分数下降速率减慢，若萃取压力过大，操作不易进行，故选择4 MPa的压力作为最适压力进行后续试验。此外，金属填料脱乙醇能力的关系为：θ环填料＞金属矩鞍环填料＞金属网波形填料＞金属鲍尔环填料＞金属拉西环填料。在相同的萃取压力下，θ环的脱乙醇能力最高。

图4 萃取压力和乙醇体积分数的对应关系Fig.4 Relationship of extraction pressure and ethanol

2.1.4 气液体积流量比对金属填料脱乙醇能力的影响 在萃取温度（20℃）、压力（4.0 MPa）以及金属填料高度（300 mm）不变条件下，考察在进料气液体积流量比为 10、15、20、25、30 的条件下金属填料对脱乙醇能力的影响，结果见图5。

由图5可知，在萃取温度、压力以及金属填料高度一定的情况下，乙醇体积分数随气液体积流量比的增大而逐渐降低。当气液体积流量比达到20：1时，θ环所得的乙醇体积分数降至4%以下，此时利用金属拉西环填料、金属鲍尔环填料、金属矩鞍环填料、金属网波形填料和θ环五种填料所得乙醇体积分数分别是为 5.42%、5.03%、4.62%、4.53%、3.77%。当气液体积流量比超过20时，随气液体积流量比的增大，乙醇体积分数下降速率降低。此外，金属矩鞍环填料和金属网波形填料的脱乙醇能力基本相同，均比金属鲍尔环填料和金属拉西环填料脱乙醇效果好，其中金属鲍尔环填料的脱乙醇能力比金属拉西环填料高，θ环填料的脱乙醇能力最高。

图5 气液体积流量比和乙醇体积分数的对应关系Fig.5 Relationship of the proportion of the gas-liquid volume flow and ethanol

通过以上分析可知，无论金属填料高度、萃取温度和压力以及气液体积流量比变化如何，θ环填料在这5种金属填料中对葡萄酒中的乙醇脱除能力最高。

2.2 金属填料对CO2萃取生产低醇葡萄酒香气成分的影响

在金属填料高度（300 mm）、萃取温度（20℃）和压力 （4.0 MPa）以及萃取塔内气液体积流量比（20：1）恒定的条件下，考察金属填料对CO2萃取生产低醇葡萄酒香气成分的影响，结果见表1。

由表1可知，金属拉西环填料、金属鲍尔环填料、金属矩鞍环填料、金属网波形填料和θ环填料对低醇葡萄酒的香气成分的影响作用相似。5种填料对低醇葡萄酒中的高级醇和二氧化碳影响较大，金属拉西环填料使低醇葡萄酒高级醇质量浓度由355.83 mg/L降至201.9 mg/L，二氧化碳上升到0.07 MPa；金属鲍尔环填料使高级醇质量浓度由355.83 mg/L降至203.27 mg/L，二氧化碳上升到0.05 MPa；金属矩鞍环填料使高级醇质量浓度由355.83 mg/L降至201.83 mg/L，二氧化碳上升到0.07 MPa；金属网波形填料使高级醇质量浓度由355.83 mg/L降至202.64 mg/L，二氧化碳上升到0.07 MPa；θ环使高级醇质量浓度由355.83 mg/L降至200.97 mg/L，二氧化碳上升到0.06 MPa。除此之外，5种填料均对其他成分的影响不大。

表1 金属填料对低醇葡萄酒中香气成分的影响Table 1 Effects of metal packings on the aroma components of low-alcohol wine

3 结 语

1）使用CO2萃取法进行低醇葡萄酒的生产是可行的，在金属拉西环填料、金属鲍尔环填料、金属矩鞍环填料、金属网波形填料和θ环5种填料中，θ环填料对低醇葡萄酒的脱乙醇能力最高。

2）CO2萃取法生产低醇葡萄酒，对葡萄酒中的高级醇成分影响较大，低醇葡萄酒中的高级醇质量浓度由355.83 mg/L降至 200.97 mg/L，降低了43.52%；CO2增至 0.06 MPa。

3）采用θ环填料可将葡萄酒中的乙醇体积分数由11.00%降至3.77%，低醇葡萄酒中的乙醇体积分数降低了65.73%。