阳离子交换树脂调酸酿造水蜜桃果酒研究

朱阳，吉姆·哈迪，曾令文

（常州大学城乡矿山研究院，江苏 常州 213164）

水蜜桃（PrunuspersicaL.Batsch）属于蔷薇科，桃属。营养丰富，利用价值高，但上市集中，而且货架期短、贮运性差。以水蜜桃为原料经发酵酿制成果酒可有效开拓水蜜桃消费渠道，促进环境资源综合利用[1-2]。酸是水蜜桃果酒基本的味觉组成元素和化学成分之一，对水蜜桃果酒的颜色、微生物稳定性及酵母生长情况都有重要影响作用。pH值是反映果酒酸度的最直接指标，一般认为发酵液中初始pH值低于3.0时，会抑制酵母菌的代谢活动，而初始pH值过高则有可能产生如醋酸菌等杂菌病害[3]。此外在使用二氧化硫对果酒抑菌时，二氧化硫的活性会随着pH值升高而下降，从而影响果酒的保质期[4]，因此初始pH值是水蜜桃果酒酿造过程中需要重点控制的参数之一[5]。何晨等研究认为水蜜桃果酒发酵初始pH值为3.4时能够获得较佳的风味和色泽[6]，而成熟水蜜桃的pH值可达4.0以上，需要采取增酸措施来降低其pH值。传统的增酸方法为添加有机酸，其中酒石酸因酸度强，不易受微生物代谢的影响而较为常用，但当所需调整pH值的幅度较大时，这种方法存在一定缺点，添加大量酒石酸的成本较高不利于工业化生产而且酒石酸容易与果酒中的钾离子生成络合物并析出，导致果酒的品质不稳定[7]。离子交换树脂作为一种具有交换基团的不溶性固体高分子物质，可以在不添加其他化学物质的情况下，与溶液中相同电荷离子发生交换，根据树脂交换基团的不同可分为阴离子和阳离子交换树脂，根据树脂结构不同，又可分为大孔型和凝胶型树脂。目前，在果酒方面关于离子交换树脂的应用主要为使用阴离子树脂进行脱酸、脱涩[8-10]，使用阳离子树脂在发酵前进行酸化并酿造水蜜桃果酒的研究尚未见报道。本研究分别使用添加酒石酸、S1568凝胶型树脂、S2568大孔型树脂对水蜜桃果汁进行增酸处理，采用清汁发酵工艺酿造干白型水蜜桃酒，对比分析了3种处理方式后的理化指标和感官评价，旨在优化水蜜桃果酒的酿造工艺，为其工业化生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

1.1.1 酿酒原料及辅料

水蜜桃（湖景品种，pH 4.6，总酸4.2 g/L）：江苏省常州市雪堰镇；酿酒酵母（X16）、L（+）酒石酸、果胶酶（XL CLA）、硅溶胶（SILIGEL）、明胶（GECOLL）、焦亚硫酸钾：法国Laffort公司；白砂糖（食品级）：市售；食品级凝胶型树脂（Lewatit S1568）、大孔型树脂（Lewaitit S2568）（结构均为苯乙烯二乙烯基苯共聚物）：德国朗盛公司。

1.1.2 化学试剂

氢氧化钠、硫酸、37%甲醛水溶液、碳酸钠、没食子酸：上海凌峰化学试剂有限公司；硝酸（优级纯）、30%双氧水、福林酚试剂：国药集团化学试剂有限公司；金属标准溶液、有机酸标准样品：上海阿拉丁生化科技股份有限公司，以上均为分析纯。

1.2 仪器与设备

砂芯层析柱（30 mm×300 mm）：江苏三爱思科学仪器有限公司；BT600LC蠕动泵：保定创锐泵业有限公司；ZDJ-4B自动电位滴定仪：上海仪电科学仪器股份有限公司；DMA35比重测试计：安东帕（上海）商贸有限公司；HP-40微波消解仪：上海新仪微波化学科技有限公司；NexIon 350电感耦合等离子体质谱仪：美国Perkin公司；UV-1900紫外可见分光光度计：翱艺仪器（上海）有限公司；Ultimate 3000高效液相色谱仪：美国Thermo公司。

1.3 试验方法

1.3.1 水蜜桃果酒酿造流程及操作要点

去核破碎→加入果胶酶→加入焦亚硫酸钾→压榨出汁→下胶澄清→自然沉降→水蜜桃果汁→分组采用不同方式调整pH值至3.5→调整糖度至23°Bx→接种发酵→倒灌、陈酿→水蜜桃果酒

操作要点如下。

下胶澄清：为加快澄清速度，将硅溶胶和明胶配合使用，下胶量分别为0.3 mL/L和0.03 g/L，预处理后分批加入水蜜桃果汁中，通过泵送循环混合。

酸度调整：将水蜜桃果汁分3组进行酸度调整，分别使用S1568凝胶型树脂处理、S2568大孔型树脂处理以及添加酒石酸处理。

1）树脂调酸：所选用的两种树脂均为强酸型阳离子交换树脂，交换基团为磺酸基（-SO3H），两种树脂材料具有不同的内部孔隙构造。量取20 mL树脂，使用80 mL的10%硫酸溶液进行活化，装入层析柱后使用超纯水清洗至流出液呈中性。使用蠕动泵将水蜜桃汁以40 mL/min流速通过交换柱，每流出20 mL收集一管待分析检测用，为避免树脂中残存液体影响[11]，丢弃第一管。按检测得到的交换容量再次量取树脂并活化，调整水蜜桃果汁的pH值至3.5待发酵用。两种树脂调酸操作步骤相同。

2）酒石酸调酸：直接加入待发酵水蜜桃果汁中，以每次0.5 g/L添加量分多次加入，调节pH值至3.5，作为对照。

1.3.2 水蜜桃果汁可同化氮值测定

酵母可同化氮（yeast assimilablenitrogen，YAN）是指能被酵母利用的氮源，主要包括游离氨基酸态氮和铵态氮[12]。甲醛和游离氨基酸及铵盐均可反应释放氢离子，用氢氧化钠滴定后可得到二者含氮总量，故使用甲醛滴定法测量1.3.1中树脂调酸后流出液的可同化氮值，滴定终点pH值为8.2[13]。

1.3.3 水蜜桃果汁矿物元素含量测定

调酸后的水蜜桃果汁中矿物元素包括钾、钙、钠、镁、铁、铜的含量采用微波消解-电感耦合等离子质谱法（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICPMS）进行测定。

样品消解处理：取10 mL待测果汁离心（转速5 000 r/min，时间 10 min）后取上清液，经 0.45 μm 膜过滤，移取5 mL至消解罐中，加入4 mL浓硝酸和2 mL双氧水，在罐内进行预先消解后放入消解仪中开始按程序分步升温，用超纯水做空白。消解完成后，将消解罐敞口在190℃电热板上赶酸至近干，冷却后加入5 mL超纯水，转移至容量瓶中并定容至10 mL。

元素定量分析方法参照GB 5009.268—2016《食品安全国家标准食品中多元素的测定》。

1.3.4 水蜜桃果汁有机酸含量测定

根据有关文献[14]，水蜜桃中的有机酸主要为苹果酸、奎宁酸、柠檬酸和草酸。使用反相高效液相色谱法测定调酸后水蜜桃果汁中的有机酸含量。

样品的前处理以及标准溶液配制参照雷艳等[15]方法，色谱条件：UltimateAQ-C18色谱柱（250mm×4.6mm，5 μm）；0.1%磷酸 ∶甲醇（体积比，97∶3）溶液为流动相等度洗脱；进样量10 μL，柱温30℃，流速1.0 mL/min；紫外检测器，检测波长为210 nm。

1.3.5 水蜜桃果酒理化指标测定

含糖量：使用比重计进行测定并转换为Brix值；总酸参照国标GB/T 15038—2006《葡萄酒、果酒通用分析方法》；总酚含量测定：福林酚法[16]。

1.3.6 水蜜桃果酒颜色测定

采用 CIE 1976（L*、a*、b*）色空间法测定，样品经离心（5 000 r/min，10 min）、0.45 μm 膜过滤后放入 10 mm比色皿中，使用分光光度计的光谱模式，扫描样品在380 nm至780 nm波长范围内的吸光度。光谱条件：扫描间隔 5 nm，D65 照明体。L*、a*、b*值计算方法参照SN/T 4675.25—2016《出口葡萄酒颜色的测定》。

1.3.7 水蜜桃果酒感官评价

由10名经过感官评定训练并通过考核的学生组成评价小组对3种调酸方式酿造的果酒进行感官评定，采用定量描述分析方法。评分指标分为整体品质、颜色、果香特征、香气浓度、口感平衡性、口感持续性、酒体7项，每项满分10分。

1.4 数据处理

试验均进行3次重复，使用SPSS 20.0软件进行统计分析，试验结果以x±SD方式表达，采用单因素方差分析和最小显著性差异法（least significant difference，LSD）进行组间比较，P<0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 调酸方式对水蜜桃果汁理化指标影响

2.1.1 水蜜桃果汁pH值变化过程

按照1.3.1的调酸过程，水蜜桃汁在流出阳离子交换柱时pH值动态变化以及添加酒石酸后pH值的变化过程如图1所示。

图1 水蜜桃果汁的pH值变化曲线Fig.1 pH change curve of peach juice

由图1可知，pH值为4.6的水蜜桃果汁经两种树脂后的起始流出液的pH值均迅速下降至3.0以下，并且前10倍柱床体积的流出液pH值保持相对稳定。当流出的水蜜桃汁到达15倍柱床体积时，开始出现穿透，pH值快速升高，到达40倍柱床体积时流出液和进液的pH值相等且不再变化，此时树脂交换能力耗尽，需要更换树脂或对树脂进行再生。从两种树脂的pH值洗脱曲线来看，S1568型树脂对应的曲线穿透点出现更晚，表明其具有更高的交换容量和穿透容量，另外S1568型树脂的穿透曲线更陡、斜率更大，说明该型树脂的利用率更高[17]。

采用添加酒石酸处理时，随着酒石酸的不断加入果汁的pH值下降并不呈线性，在pH值为3.65左右时呈现较强的缓冲作用。水蜜桃果汁中各种有机酸的解离状态不同，在实际生产中，想要准确预测调节至目标pH值所需酒石酸量较为困难。

2.1.2 水蜜桃果汁可同化氮的变化过程

在1.3.1中分管收集的水蜜桃汁可同化氮值变化如图2所示。

图2 可同化氮值洗脱曲线Fig.2 YAN elution curves

由图2可知，在开始流出的组分中，可同化氮值下降明显，在4倍 ～5倍柱床体积时，流出液的可同化氮值出现穿透并迅速回升，在12倍 ～16倍柱床体积时达到动态平衡，相比S1568型树脂，S2568型树脂对可同化氮的吸附容量更大。两种树脂在到达吸附平衡之前出现流出组分中可同化氮的含量大于初始含量的情况，可能是由于之前组分中被吸附到树脂上的含氮物质被其他无机盐或有机酸盐替换[18]而进入新的流出组分中。

在水蜜桃果汁中大部分天然氨基酸的等电点（pI）大于试验件下的pH值而呈带正电荷状态，因此可被阳离子树脂所吸附和交换，从而导致可同化氮值降低。若发酵液中氮源不足，有可能导致发酵过程中硫化氢及硫醇增加，影响果酒品质。一般认为可同化氮值高于140 mg/L ～150 mg/L才能完成正常发酵[19]。由此可见，使用阳离子树脂酸化果汁酿造果酒时有必要检测其含氮量并根据发酵情况适当补充氮源。

2.1.3 调酸后水蜜桃果汁的理化指标

在pH值都调至3.5的情况下，对比3种调酸方式处理果汁的理化指标，结果见表1。

表1 调酸后水蜜桃果汁理化指标Table 1 Physicochemical properties of peach juice after acidification

由表1可知，采用树脂处理的水蜜桃果汁中的矿物元素由于和树脂上的氢离子发生交换导致含量明显减少（P<0.05），交换过程中起最主要作用的是钾离子的交换。此外微量元素铁、铜的含量出现下降，均低于国标所规定的限定值[20]（铁≤8 mg/L，铜≤1 mg/L），也可降低果酒出现铁破败病和铜破败病的风险，有助于提高果酒的稳定性[21]。S1568型树脂在对多数矿物元素的吸附能力要大于S2568型树脂。

相比于添加酒石酸，树脂处理的果汁总酸增加幅度较小，对于主要有机酸的影响方面，树脂对草酸和奎宁酸的吸附作用不显著（P<0.05），对苹果酸和柠檬酸有一定的吸附作用但吸附程度并不高。树脂处理后的含糖量有少量减少。总酚含量方面上，两种树脂的吸附作用均较为显著（P<0.05），减少量大于30%，这对于果酒的抗氧化性会产生一定不利效果，但有利于降低多酚类物质带来的苦涩味。S2568型树脂对水蜜桃果汁的有机成分吸附能力要强于S1568型树脂，其原因可能是S2568型树脂为大孔树脂，内部多孔具有更大的比表面积，而S1568凝胶型树脂的吸附效果只能够作用于树脂颗粒表面。

2.2 调酸方式对水蜜桃果酒的理化指标分析

2.2.1 水蜜桃果酒发酵过程糖度变化

3种处理方式的水蜜桃果酒发酵过程的糖度消耗曲线如图3所示。

图3 发酵过程的耗糖曲线Fig.3 Sugar consumption curves of peach wine fermentation

从图3可知，相比于酒石酸处理方式，经树脂处理后的发酵液消耗糖分的速度明显较慢，发酵迟滞期较长，表明酵母需要更长的时间来适应发酵液中较低的氮源和矿物元素含量。经过10 d ～12 d时间，由于酒精含量增加，发酵液的比重小于水，由比重换算得到的含糖量值为负，3种处理方式后的发酵液都基本完成了酒精发酵。S1568凝胶型树脂处理后的发酵液耗糖速度略大于S2568大孔型树脂处理的发酵液。

2.2.2 水蜜桃果酒的基本理化指标

不同处理后水蜜桃果酒理化指标见表2。

表2 不同处理后水蜜桃果酒理化指标Table 2 Physicochemical properties of peach wines with different treatments

由表2可知，在产酒精能力上，3种处理方式没有明显差异（P>0.05）。发酵完成后，添加酒石酸法的pH值比树脂处理后的pH值更低，主要原因是发酵液中酒石酸氢钾的结晶析出促使结合态的酒石酸解离出更多的酒石酸氢根离子和氢离子。树脂处理后的果酒挥发酸含量高于添加酒石酸的处理方式，但未超过NY/T 1508-2007《绿色食品果酒》规定的1.50 g/L限定值，3种挥发酸的差异可能与发酵液中氨基酸、多酚类物质和矿物元素的组成有关[22]。

2.2.3 水蜜桃果酒的颜色特征

不同处理后水蜜桃果酒的颜色指标见表3。

表3 不同处理后水蜜桃果酒的颜色指标Table 3 Color parameters of peach wines with different treatments

表3中L*、a*、b*的数值由大到小分别表示果酒颜色明暗、红绿、蓝黄的程度，亮度方面S2568树脂处理>S1568树脂处理>酒石酸处理，表明树脂处理后的果酒具有更好的光泽度。酒石酸处理的果酒a*值较大，表明颜色上更偏红，可能是由于发酵完成后的pH值差异导致。

2.3 水蜜桃果酒的感官评价

不同调酸方式的水蜜桃果酒感官评价见图4。

图4 不同调酸方式的水蜜桃果酒感官评价Fig.4 Sensory evaluation of peach wines with different treatments

由图4可知，使用树脂调酸后水蜜桃果酒口感更加平衡，果香特征更加明显，而使用酒石酸调酸的水蜜桃果酒则在口感持续性、酒体和香气浓度方面得分较高。结合2.2.3中的颜色参数可看出树脂调酸后的水蜜桃果酒澄清度更好，颜色更具吸引力。综合来看，在香气和外观无明显缺陷的情况下，口感在整体评分中占据主要权重，S1568型树脂调酸方式整体评分最高。

3 结论

使用强酸型阳离子交换树脂能够有效的降低水蜜桃果汁的pH值，对总酸改变较少，能够完成正常发酵。但树脂调酸会对果汁的营养成分如矿物元素、多酚类物质和含氮组分等造成一定损失。相比于使用传统的酒石酸调酸方式，树脂处理后的发酵液发酵启动晚，发酵速度较慢，发酵完成后的水蜜桃果酒挥发酸含量更高，在实际嗅觉感官上并未察觉。树脂调酸后的果酒酸涩感明显下降，具有更高的澄清度更佳的果香典型性。此外树脂可以通过再生重复使用，在工业化生产中有利于降低成本。试验选用的两种树脂中，S1568凝胶型树脂比S2568凝胶型树脂对多数有机成分的吸附作用更小，感官评价的整体评分也较高，适合用于水蜜桃果酒的酿造。本研究对于解决其它果酒酿造中酸度失衡的问题也具有一定借鉴意义。