大孔树脂对白葡萄酒中异戊醇的吸附动力学研究

李 震，陈瑶瑶，刘英学，崔旋旋，邓 阳，朴美子，李 岩*

（1.青岛农业大学食品科学与工程学院，山东青岛 266109；2.青岛中一监测有限公司，山东青岛 266100；3.青岛海润农大检测有限公司，山东青岛 266109）

在葡萄酒酿造期间，由于微生物的发酵作用，会产生一部分高级醇，其中，最主要的是异戊醇，其含量约为90～300 mg/L。较低含量的高级醇会赋予葡萄酒特殊的玫瑰香气，是葡萄酒中不可或缺的芳香物质之一[1-5]。葡萄酒中高级醇形成机理主要包括：特定的氨基酸经脱氨基作用形成[6-9]、糖酵解过程中经丙酮酸途径形成[10-13]、酵母利用乙酰化的α-酮酸形成[14-18]。然而，葡萄酒中的高级醇含量过高时会产生“酒后上头”的现象，长期饮用会对人体的健康产生影响，引起头痛、恶心、呕吐等症状[19-21]。因此，控制葡萄酒中高级醇的含量对提高葡萄酒的品质有着至关重要的作用。

目前，常见的高级醇控制方法一般包括：选择人工栽培的优质葡萄作为酿酒原料，使用具有产低高级醇特性的酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae），控制接种量、发酵温度、加糖量及方式、控制溶氧含量等[22-25]。这些方法仅适用于酿造开始及酿造过程中高级醇的控制，然而酿造结束之后，以上方法将不再起任何作用。使用大孔树脂吸附高级醇是一项可应用于葡萄酒生产的下游控制技术，吸附作用主要依赖于其与被吸附的分子之间的范德华力，属于选择性的物理吸附，不会对酒体品质产生影响[26-27]。

本实验以白葡萄酒为原料，分别比较4种市售苯乙烯基大孔树脂（D101、D204、AB-8、X-5）对白葡萄酒中异戊醇的吸附效果，选取最佳大孔树脂。在此基础上，采用动力学方法进一步研究最佳大孔树脂的吸附及解吸特性，以期为构建D101大孔树脂吸附白葡萄酒中异戊醇的理论模型提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

白葡萄酒：华东葡萄酒公司；4种苯乙烯基大孔树脂（表1）：天津浩聚树脂科技有限公司；异戊醇、乙醇、酒石酸（均为分析纯）：上海吉至生化科技有限公司。

表1 本研究不同大孔树脂的信息Table 1 Information of different macroporous resin used in the study

1.2 仪器与设备

7890A气相色谱（gas chromatography，GC）仪（配氢火焰离子化检测器）：日本岛津公司；AR1140电子分析天平：奥豪斯国际贸易（上海）有限公司；普通玻璃层析柱（1.6 cm×20 cm）：北京瑞达恒辉科技发展有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 葡萄酒中异戊醇含量的测定

异戊醇含量的测定方法采用轻工业标准QB/T 4849—2015《葡萄酒中挥发性醇类的测定方法静态顶空-气相色谱法》。

静态顶空条件：平衡温度50 ℃；平衡时间30 min；振荡频率500 r/min。

GC条件：色谱柱为聚乙二醇毛细管柱（50 m×0.25 mm×0.25 μm）；进样口温度200 ℃；检测器温度250 ℃；程序升温：初始温度35 ℃，保持1 min，以3.5 ℃/min升温至120 ℃，再以15 ℃/min升温至200 ℃，保持2 min；流速1 mL/min；进样口设为不分流模式。

根据异戊醇标准物质（230 mg/L）的保留时间进行定性，采用外标法进行定量。

1.3.2 大孔树脂的筛选

大孔树脂预处理：分别取D101、D204、AB-8、X-5大孔树脂各25 g，用20 mL无水乙醇浸泡24 h后，用去离子水清洗至无味、无白色沉淀物，备用。

静置吸附：分别称取预处理完成的4种大孔树脂各2.5 g，与40 mL白葡萄酒一并转移至150 mL锥形瓶中并做好标记，25 ℃条件下静置吸附12 h后，采用静态顶空-气相色谱法测定白葡萄酒中异戊醇的含量。

振荡吸附：分别称取预处理完成的4种大孔树脂各2.5 g，与40 mL白葡萄酒一并转移至150 mL锥形瓶中并做好标记，25 ℃、120 r/min条件下振荡吸附12 h后，采用静态顶空-气相色谱法测定白葡萄酒中异戊醇的含量。

通过数据对比选出异戊醇吸附效果最佳的大孔树脂。

1.3.3 最佳大孔树脂的振荡吸附及解吸

振荡吸附：称取吸附效果最佳的大孔树脂2.5 g，与40 mL白葡萄酒一并转移至150 mL锥形瓶中并做好标记，25 ℃、120 r/min条件下水浴振荡72 h，每隔24 h取样，采用静态顶空-气相色谱法测定白葡萄酒中异戊醇的含量，并计算吸附率，其计算公式见式（1）。

振荡解吸：将振荡吸附后的大孔树脂用滤纸过滤后，加入40 mL体积分数为60%的乙醇溶液，25 ℃、120 r/min条件下水浴振荡72 h，每隔24 h取样，采用静态顶空-气相色谱法测定溶液中异戊醇的含量，并计算解吸率，其计算公式如式（2）。

1.3.4 吸附等温线

以所测的原酒液中异戊醇含量为基础，通过向原酒液中添加适量的异戊醇标准品的方式，配制成异戊醇含量分别为230 mg/L、310 mg/L、390 mg/L、470 mg/L、550 mg/L、630 mg/L的酒样，备用。

准确称量5 g吸附效果最佳的大孔树脂，共6份，分别移取20 mL异戊醇含量不同的酒样于锥形瓶中，加入大孔树脂并混匀，25 ℃、120 r/min条件下水浴振荡72 h，采用静态顶空-气相色谱法测定酒中异戊醇的含量，根据方程式（3）计算平衡时的吸附量（Qe）[28]，并采SigmaPlot 12.5拟合得到Langmuir吸附等温线及Freundlich吸附等温线。

式中：Qe为平衡时吸附量，mg/g；C0为酒样中异戊醇初始质量浓度，mg/L；Ce为处于平衡状态下异戊醇的质量浓度，mg/L；V为酒样体积，mL；W为大孔树脂质量，g。

Langmuir方程是常用的吸附等温线方程之一，现广泛应用于吸附学方面。吸附等温线方程式见式（4）[28]。

线性化变换可得到方程（5）。

式中：Qm为吸附剂的最大吸附量，mg/g；Ce为处于平衡状态下异戊醇的质量浓度，mg/L；KL为吸附和解吸速率常数之比。

Freundlich是一个经验方程，被广泛描述吸附剂和溶质之间的吸附特性，假设方程形式如（6）所示[29]。

对方程（6）进行线性变换，得到方程（7）。

式中：Ce是处于平衡状态下异戊醇的质量浓度，mg/L；KF为Freundlich常数；n是在一定范围内表示吸附过程的经验系数。

1.3.5 吸附动力学

准确称量2.5 g吸附效果最佳的大孔树脂，并与40 mL白葡萄酒一并转移至150 mL锥形瓶中，25 ℃、120 r/min条件下水浴振荡72 h，每隔12 h取样，采用准一级动力学模型式（8）和准二级动力学模型式（9）对吸附动力学进行评价，并选取吸附饱和的树脂进行后续的动态洗脱试验[30]。

式中：k1和k2分别为准一级动力学模型和准二级动力学模型速率常数，min-1；t为吸附时间，min；Qe为平衡吸附量，mg/g；Qt为t时刻的吸附量，mg/g。

1.3.6 动态解吸试验

用滤纸过滤饱和吸附后的大孔树脂，将过滤后的大孔树脂装入层析柱中，组装好恒流泵，解吸液为体积分数为60%的乙醇，流速为2 mL/min，解吸时间为72 h，每隔12 h取样，采用静态顶空-气相色谱法测定溶液中异戊醇的含量。

1.3.7 数据分析

在每组试验中设置三组平行试验，使用SPSS 19.0、Excel 2016等软件处理试验数据；使用SigmaPlot12.5进行方程拟合。

2 结果与分析

2.1 大孔树脂的筛选

异戊醇标准品（230 mg/L）及白葡萄酒样中异戊醇的气相色谱图见图1。

图1 异戊醇标准品（A）及白葡萄酒样中异戊醇（B）的气相色谱图Fig.1 Gas chromatography of isopentanol standard (A) and isopentanol in white wine samples (B)

由图1可知，异戊醇的出峰时间均为8.307 min，两者的出峰时间一致。此外，白葡萄酒样中存在其他色谱峰，表明酒液中还存在其他成分，如挥发性的酸类、醛类、酯类、高级醇等。李先奇[7]研究表明，葡萄酒中的高级醇含量通常为80～540 mg/L，该白葡萄酒样中的异戊醇含量为228 mg/L，在上述范围内。采用该方法对大孔树脂吸附后白葡萄酒样中的异戊醇含量进行测定，结果见图2。

图2 静置吸附及振荡吸附对不同大孔树脂吸附异戊醇效果的影响Fig.2 Effect of static adsorption and oscillation adsorption on isopentanol adsorption by different macroporous resins

由图2可知，除D204大孔树脂静置吸附外，经大孔树脂吸附后，白葡萄酒样中异戊醇含量均降低，且振荡吸附效果均显著优于静置吸附（P＜0.05）。其中D101大孔树脂吸附效果最佳，其静置、振荡吸附12 h后，白葡萄酒中异戊醇含量分别降低17%、53%。其次为AB-8大孔树脂，D204大孔树脂吸附效果最差。因此，确定D101大孔树脂最佳，进行后续试验，并对D101大孔树脂的振荡吸附效果进行更深入的研究。

2.2 D101大孔树脂的振荡吸附及解吸

为了更好地了解D101大孔树脂对白葡萄酒中异戊醇的选择吸附特性，对大孔树脂D101的振荡吸附和解吸进行进一步研究，结果见图3。

图3 D101大孔树脂对白葡萄酒中异戊醇的振荡吸附及解吸曲线Fig.3 Oscillation adsorption and desorption curve of isopentanol in white wine by macroporous resin D101

由图3可知，D101大孔树脂具有较强的吸附异戊醇的能力，在48 h时达到最大吸附量，可吸附原白葡萄酒液中约73%的异戊醇。通过体积分数为60%的乙醇溶液解吸饱和吸附的大孔树脂后，在48 h时达到最大解吸量，可解吸树脂吸附总量的77%，说明吸附的异戊醇大部分能够被解吸至体积分数为60%的乙醇溶液中，表明D101大孔树脂具有可重复利用的特性。

2.3 D101大孔树脂振荡吸附等温线

测定不同振荡吸附时间下，白葡萄酒中的异戊醇含量。基于此，采用SigmaPlot 12.5进行线性拟合得到Langmuir和Freundlich吸附等温线方程，结果见图4及表2。

图4 D101大孔树脂的Langmuir (A) 和Freundlich (B) 吸附等温线Fig.4 Langmuir (A) and Freundlich (B) adsorption isotherms of macroporous resin D101

表2 D101大孔树脂对异戊醇吸附等温线方程及参数Table 2 Equations and parameters of adsorption isotherms for isopentanol by macroporous resin D101

由图4和表2可知，两个回归方程的回归系数R2均＞0.9，说明两个模型均适用于探究一定溶质浓度范围内的异戊醇的吸附特性。由于Freundlich方程的相关系数R2（0.962）低于Langmuir方程的相关系数R2（0.998），因此，Langmuir吸附等温线方程更适合用于描述D101大孔树脂对白葡萄酒中异戊醇的吸附特性。

2.4 D101大孔树脂振荡吸附动力学

吸附动力学用来描述从吸附开始到达吸附平衡，吸附质在树脂上的吸附速率随吸附时间变化。通过准一级吸附动力学模型和准二级吸附动力学模型对D101大孔树脂吸附异戊醇进行模拟，结果见图5。

图5 D101大孔树脂吸附异戊醇的动力学模型Fig.5 Kinetic model for adsorption of isopentanol by macroporous resin D101

由图5可知，准一级吸附动力学模型和准二级吸附动力学模型都能对D101大孔树脂吸附异戊醇进行模拟，但在不同处理时间下所得的试验值与准一级动力模型曲线更贴合。因此，准一级吸附动力学模型更适合于描述D101大孔树脂吸附异戊醇，且速率与有效吸附点呈正相关，即吸附过程是物理吸附。当吸附0～12 h时，D101大孔树脂吸附较快，吸附速率为5.94 mg/（L·h）；当吸附12～24 h时，吸附速率开始下降，为3.10 mg/（L·h）；当吸附24～48 h时，吸附速率降为1.57 mg/（L·h）；吸附48 h后，吸附达到平衡，异戊醇吸附量为（146±9）mg/L。结果表明，D101大孔树脂在12 h内对白葡萄酒中的异戊醇的吸附效率最高，48 h后其对异戊醇的吸附量趋于饱和。

2.5 D101大孔树脂动态解吸过程

D101大孔树脂对异戊醇吸附的动态解吸过程见图6。

图6 D101大孔树脂对异戊醇吸附的动态解吸曲线Fig.6 Dynamic desorption curve of isopentanol adsorbed by macroporous resin D101

由图6可知，异戊醇的解吸速率随着处理时间的延长先升高后降低。当解吸0～12h时，解吸速率最高，为6.38mg/（mL·h）；当解吸36 h时，解吸量最大，为（135±8）mg/L，解吸率达84%。36 h后解吸量逐渐稳定，分析原因可能是大孔树脂所吸附的异戊醇已被解吸完。结果表明，D101大孔树脂在36 h内具有快速解吸的效果，且解吸效率优于振荡解吸。

3 结论

在4种市售苯乙烯基大孔树脂（D101、D204、AB-8、X-5）中，D101大孔树脂对白葡萄酒中的异戊醇吸附效果最佳，且振荡吸附的效果优于静置吸附，其振荡吸附12 h后，异戊醇吸附率为53%。D101大孔树脂在体积分数为60%的乙醇中解吸48 h时，异戊醇的解吸率最高，为77%，具有良好的可重复利用性。D101大孔吸附树脂对白葡萄酒中异戊醇的吸附可用准一级动力学吸附模型描述，且符合Langmuir吸附等温模型。采用流速为2 mL/min的体积分数为60%的乙醇对D101树脂进行动态解吸时，在36 h内可快速解吸，最大解吸率达84%，优于振荡解吸效率。