閆浩凱,張波,劉琦,牛見明,史肖,韓舜愈*
1(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,甘肅 蘭州,730070) 2(甘肅省葡萄與葡萄酒工程學(xué)重點實驗室(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)),甘肅 蘭州,730070) 3(甘肅省葡萄與葡萄酒產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)中心(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)),甘肅 蘭州,730070) 4(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院,甘肅 蘭州,730070)
白蘭地多指以葡萄為原料,通過發(fā)酵蒸餾制成的酒,是世界上最著名的蒸餾酒之一,與威士忌、伏特加、朗姆酒、金酒和中國白酒并稱為世界六大蒸餾酒[1-2]。香氣是白蘭地風(fēng)格與品質(zhì)的直接體現(xiàn),目前已在白蘭地中檢出揮發(fā)性香氣物質(zhì)超過幾百種,主要包括高級醇、酯類、酮醛類、酸類、萜烯類、苯衍生物等[3],它們以不同的種類、濃度、相互作用共同影響著白蘭地的香氣品質(zhì)[4-5]。研究發(fā)現(xiàn),在各類揮發(fā)性成分中,酯類和醇類香氣物質(zhì)含量最高,并且酯類物質(zhì)種類最多,對白蘭地風(fēng)味與風(fēng)格的影響也最大[6]。宋普[7]從陳釀0~6年的白蘭地中共檢出113種香氣物質(zhì),其中酯類共43種,占總檢出物質(zhì)的38%,與CALDEIRA等[8]的實驗結(jié)果相似,且酯類物質(zhì)閾值相對較低,對白蘭地香氣形成具有突出貢獻(xiàn)?,F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn),酯類總量占白蘭地非酒精揮發(fā)物總量的46%以上[9],并且白蘭地中酯類含量與感官分析得分呈正相關(guān)[10]。因此,酯類物質(zhì)是白蘭地香氣中的關(guān)鍵成分,也是評價白蘭地質(zhì)量的重要指標(biāo),即總酯含量可間接反映白蘭地的陳釀進(jìn)程及品質(zhì)高低。
新蒸白蘭地一般具有苦澀、辛辣等缺陷。利用橡木桶陳釀可改善上述問題,目前已被認(rèn)為是提升白蘭地品質(zhì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在木桶陳化的過程中,酒內(nèi)的一些物質(zhì)發(fā)生氧化還原、酯化水解、分子締合等一系列反應(yīng),最終使白蘭地變得甜潤、綿柔、醇厚[11]。但傳統(tǒng)橡木桶陳釀過程十分緩慢,增加了生產(chǎn)企業(yè)在設(shè)備、場地和人力方面的投入,增加了生產(chǎn)成本,影響了酒廠的經(jīng)濟(jì)效益[12]。因此,縮短白蘭地陳釀周期已成為制約其工業(yè)化生產(chǎn)的重點難點問題。目前利用物理手段加速白蘭地陳化已有一定數(shù)量的報道,如通過超聲[13]、電場[14]、電子束輻照[15]等技術(shù)在一定程度上可加塊白蘭地的陳釀速度,但在實際生產(chǎn)中,這些技術(shù)存在很多不足和缺陷,如電場和磁場處理所需的設(shè)備龐大,成本高,不易工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)[16];超聲波和紅外等波譜處理條件不易控制,白蘭地品質(zhì)難以保證[17]。此外,有些催陳處理還會導(dǎo)致酒體溫度升高,不利于白蘭地香氣品質(zhì)的提升[18]。
超高壓技術(shù)通常是指在100 MPa以上的壓力條件下,使體系中各物質(zhì)化學(xué)鍵的種類、性質(zhì)等發(fā)生變化,進(jìn)而達(dá)到一定的生產(chǎn)目的。研究發(fā)現(xiàn),超高壓催陳酒類具有處理效率高、能耗小、非加熱、無反生現(xiàn)象等優(yōu)點,并且操作過程條件可控、質(zhì)量穩(wěn)定,易于工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)[19-20]。近年來已有部分學(xué)者利用超高壓技術(shù)在酒類催陳研究中取得了不錯的實驗效果[21-23]。梁茂雨等[24]通過對清香型白酒進(jìn)行超高壓處理后發(fā)現(xiàn),酒中酯類、醛類、雜醇油等香氣物質(zhì)含量顯著變化,其酒的香氣品質(zhì)基本達(dá)到陳釀2年的水平,部分指標(biāo)甚至能達(dá)到陳釀3年的效果。同樣的效果在經(jīng)超高壓處理后的黃酒中也有出現(xiàn),如酒樣中醇類、醛類香氣物質(zhì)減少,酯類物質(zhì)含量增加,表明超高壓可促進(jìn)醇、醛等物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和酯類物質(zhì)的合成,加速黃酒的陳化過程[25]。此外,超高壓技術(shù)在干紅葡萄酒陳釀過程中也有應(yīng)用[26],與對照相比,經(jīng)超高壓處理后的干紅葡萄酒,其酯類香氣物質(zhì)含量明顯增加,果香特征更加突出。盡管超高壓在酒類催陳方面已有研究,但在白蘭地方面的研究卻鮮有報道。本文以白玉霓葡萄白蘭地基酒為原料,通過單因素及響應(yīng)面實驗優(yōu)化超高壓催陳處理的工藝參數(shù),以期為白蘭地催陳方法的拓展以及評估超高壓技術(shù)在白蘭地催陳研究中的應(yīng)用前景提供一定的理論支持。
法國橡木桶:50 L,中度烘烤,蓬萊市沃林橡木桶有限公司。
白蘭地原酒:取自甘肅省莫高股份有限公司生產(chǎn)的白玉霓葡萄白蘭地基酒,經(jīng)蒸餾釜二次蒸餾得到白蘭地原酒,酒精度60%。
NaOH、NaCl、濃H2SO4,酚酞指示劑等,天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所。
TRACE 1310-ISQ氣相色譜-質(zhì)譜儀,美國Thermo Scientific公司;DB-WAX氣相色譜柱,美國Agilent Technologies公司;HS-SPME裝置、DVB/CAR/PDMS萃取頭,美國Surpelco公司;HPP.L2-600/1超高壓處理裝置,天津華泰森淼生物工程技術(shù)股份有限公司;DC-0530低溫恒溫槽,上海平軒科學(xué)儀器有限公司;SB20L帝伯仕20 L三釜蒸餾器,煙臺帝伯仕有限公司;DK-S12型電熱恒溫水浴鍋,上海森信實驗儀器有限公司;DZ-450A真空包裝機(jī),溫州市大江真空包裝機(jī)械有限公司;AE224型電子分析天平,上海舜宇恒平科技儀器有限公司;DF-2集熱式磁力攪拌器,常州市金壇恒豐儀器制造有限公司;8100摩爾超純水機(jī),上海摩勒科學(xué)儀器有限公司。
1.4.1 總酯含量的測定
參考GB/T 11856—2008[27]的方法進(jìn)行白蘭地中總酯含量的測定,按公式(1)計算:
(1)
式中:ρ,樣品中總酯的質(zhì)量濃度(以乙酸乙酯計),g/L;V1,皂化后樣品消耗NaOH標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液體積,mL;V0,空白試驗皂化后樣品消耗NaOH標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的體積,mL;c,皂化后滴定時所用NaOH標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的濃度,mol/L;88,乙酸乙酯的摩爾質(zhì)量,g/mol;V,吸取樣品的體積,mL。
1.4.2 主要酯類香氣化合物含量測定
1.4.2.1 香氣物質(zhì)富集
取8 mL酒樣于15 mL樣品瓶中,加入2.0 g NaCl和10 μL內(nèi)標(biāo)2-辛醇(質(zhì)量濃度為88.2 mg/L),加轉(zhuǎn)子后密封并置于磁力攪拌器中,50 ℃下水浴平衡30 min后頂空萃取30 min。萃取完成后立即進(jìn)行香氣成分檢測。
1.4.2.2 香氣成分分析
參照張斌[28]的方法,并略作調(diào)整。色譜條件:色譜柱DB-WAX(60 m×2.5 mm×0.25 μm);升溫程序40 ℃保持5 min,以3.5 ℃/min升至210 ℃,保持15 min;載氣(He)流速 1 mL/min;進(jìn)樣口溫度 230 ℃;不分流進(jìn)樣。質(zhì)譜條件:電子轟擊離子源(EI);電子能量 70 eV;連接桿溫度 180 ℃;離子源溫度250 ℃;質(zhì)譜掃描范圍50~350m/z。
定性分析:化合物經(jīng)計算機(jī)檢索與 NIST Library(107 k compounds,Version 2.0 a,July 1,2002)相匹配對香氣物質(zhì)種類進(jìn)行初步確定。
定量分析:采用內(nèi)標(biāo)法進(jìn)行半定量分析,按公式(2)計算:
(2)
式中:Ci,待測香氣物質(zhì)質(zhì)量濃度,mg/L;Ai,待測香氣物質(zhì)峰面積;A內(nèi),內(nèi)標(biāo)的峰面積;C內(nèi),內(nèi)標(biāo)質(zhì)量濃度,mg/L。
1.4.3 超高壓處理工藝流程
取白蘭地原酒100 mL裝入鋁箔袋中,真空包裝2次后放入20 ℃恒溫箱中備用。進(jìn)行超高壓實驗前先打開恒溫槽預(yù)熱,達(dá)到設(shè)定溫度時將樣品放入加壓艙內(nèi),調(diào)節(jié)處理壓力、處理時間后進(jìn)行超高壓實驗,每個樣品均超高壓處理1次。
1.4.4 單因素試驗
1.4.4.1 處理壓力對總酯的影響
取原酒100 mL,調(diào)節(jié)超高壓處理溫度為20 ℃,處理時間為30 min,研究不同處理壓力(100、200、300、400、500、600 MPa)對白蘭地的影響,試驗重復(fù)3次。
1.4.4.2 處理時間對總酯的影響
取原酒100 mL,調(diào)節(jié)超高壓處理溫度為20 ℃,壓力條件為200 MPa,研究不同處理時間(20、30、40、50、60、70 min)對白蘭地的影響,試驗重復(fù)3次。
1.4.4.3 處理溫度對總酯的影響
取原酒100 mL,調(diào)節(jié)超高壓處理壓力為200 MPa,處理時間為30 min,研究不同處理溫度(5、10、15、20、25、30 ℃)對白蘭地的影響,試驗重復(fù)3次。
1.4.5 響應(yīng)面試驗設(shè)計
在單因素試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上,利用Design-Expert 8.0.6.1軟件進(jìn)行響應(yīng)面試驗設(shè)計,以白蘭地中總酯含量為響應(yīng)值,設(shè)計如下3因素(處理壓力、處理時間、處理溫度)3水平響應(yīng)面試驗進(jìn)行超高壓處理工藝的優(yōu)化。
表1 響應(yīng)面試驗因素與水平
1.4.6 催陳工藝評價
利用1.4.5中響應(yīng)面優(yōu)化的超高壓工藝參數(shù)對甘肅省莫高股份有限公司不同陳釀時間(4、5、6、7、8年)的白玉霓葡萄白蘭地中總酯及主要酯類香氣物質(zhì)含量進(jìn)行測定,從而評價本試驗優(yōu)化的超高壓處理工藝的實際效果。
利用Microsoft Excel 2010對試驗所得數(shù)據(jù)進(jìn)行基本分析,利用OriginLab Origin 9.0繪圖,使用IBM SPSS Statistics 20.0進(jìn)行顯著性分析(Duncan法,P<0.05),響應(yīng)面試驗設(shè)計及回歸分析使用Design-Expert 8.0.6.1軟件進(jìn)行操作。
2.1.1 處理壓力對白蘭地中總酯的影響
如圖1所示,隨著處理壓力的增加,總酯含量呈現(xiàn)先大幅增加后小幅降低的趨勢,并且在300 MPa時總酯含量最高,為0.83 g/L,是未處理酒樣中總酯含量(0.62 g/L)的1.34倍。超高壓技術(shù)的本質(zhì)是一個基本的熱力學(xué)變量,在超高壓技術(shù)處理過程中,高壓會引起體系內(nèi)物質(zhì)能量的變化,其中壓力為主要影響因素[29]。研究發(fā)現(xiàn),超高壓技術(shù)主要是通過均衡效應(yīng)、勒夏特列效應(yīng)、微觀有序效應(yīng)等原理使各種生物大分子物質(zhì)結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、能力等發(fā)生一定變化,從而改變其原有性質(zhì)[30]。在本實驗中,處理壓力為100、200 MPa時,總酯含量變化不大,當(dāng)壓力繼續(xù)增加到300 MPa時,總酯含量迅速升高到最大值,但壓力過高,可能會降低酯類物質(zhì)的穩(wěn)定性,從而造成酯類物質(zhì)含量減少,本試驗結(jié)果與李紹峰[30]在葡萄酒的研究中有類似的結(jié)果。因此,試驗選擇處理壓力為300 MPa較為適宜。
圖1 超高壓處理壓力對白蘭地總酯含量的影響
2.1.2 處理時間對白蘭地中總酯的影響
由圖2可知,在其他因素水平固定時,當(dāng)處理時間小于50 min時,總酯含量較低;當(dāng)處理時間在50~70 min時,總酯含量較高,并且在處理時間為60 min時,總酯含量最高(0.84 g/L)。酯類物質(zhì)合成需要消耗一定的化學(xué)能,而超高壓處理可增加酒中物質(zhì)的能量,并且處理時間越長,酒中物質(zhì)積累的能量越高。處理時間為10~40 min時,酒中積累的化學(xué)能較少,可能還未達(dá)到酯類物質(zhì)合成反應(yīng)的活化能;處理時間為50 min時,酒中積累的化學(xué)能超過酯類物質(zhì)合成所需的能量,因此總酯含量大幅增加,并且隨著處理時間的繼續(xù)延長,總酯含量變化較小。此外,PANOSYAN等[31]在研究不同年份干邑白蘭地時發(fā)現(xiàn),隨著時間的增加,酯類物質(zhì)含量逐漸增加,白蘭地的風(fēng)味和口感也有一定的提升,這與本實驗白蘭地中酯類物質(zhì)變化趨勢一致。因此,超高壓處理時間為50 min較為適宜。
圖2 超高壓處理時間對白蘭地總酯含量的影響
2.1.3 處理溫度對白蘭地中總酯的影響
如圖3所示,總酯含量隨處理溫度的升高總體成上升趨勢,并且在25 ℃時,總酯含量最高,為0.83 g/L。當(dāng)繼續(xù)升高處理溫度,總酯含量略微下降。醇和酸生成酯是吸熱反應(yīng),當(dāng)升高溫度時,化學(xué)反應(yīng)向生成酯的方向進(jìn)行。此外,升高溫度會增加酒樣體系中的熵,體系中分子運動加劇,酯化反應(yīng)的速度增加,但隨著溫度繼續(xù)升高,酯化反應(yīng)的逆反應(yīng)速率也在增加。結(jié)合本試驗結(jié)果可知,當(dāng)溫度在25 ℃附近時,酯化反應(yīng)速率趨于平衡;當(dāng)溫度繼續(xù)升高,逆反應(yīng)速率大于酯化反應(yīng)速率,總酯含量開始降低,這與李聰麗[22]研究結(jié)果有著相同的趨勢。因此,超高壓處理溫度為25 ℃時較為適宜。
圖3 超高壓處理溫度對白蘭地總酯含量的影響
2.2.1 響應(yīng)面試驗結(jié)果
以單因素試驗結(jié)果為基礎(chǔ),利用Design-Expert 8.0.6.1軟件進(jìn)行響應(yīng)面試驗設(shè)計,響應(yīng)面試驗設(shè)計及試驗結(jié)果如表2所示。
表2 響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果
2.2.2 響應(yīng)面回歸模型的方差分析及顯著性檢驗
表3 優(yōu)化回歸模型方差分析及顯著性檢驗
表4 回歸模型可信度分析
2.2.3 響應(yīng)面交互作用分析結(jié)果
為進(jìn)一步研究本試驗中超高壓處理三因素間的交互作用,利用Design-Expert 8.0.6.1軟件繪制兩因素間交互作用的響應(yīng)面圖。響應(yīng)面圖像中顏色從藍(lán)紫色到紅橙色的漸變表示試驗指標(biāo)從低到高的變化,圖像為凸面表示試驗指標(biāo)有最大值[33]。圖4-a為處理溫度25 ℃時處理時間和處理壓力間的交互作用,與處理時間相比,超高壓壓力強(qiáng)度對總酯含量影響更大,并且處理時間與處理壓力間的交互作用較強(qiáng)。圖4-b為處理時間50 min時處理壓力和處理溫度間的交互作用,如圖4-b所示,底面形狀為橢圓,表明處理壓力和處理溫度間的交互作用顯著。圖4-c為處理壓力300 MPa時處理時間和處理溫度間的交互作用,響應(yīng)面B、C軸方向變化趨勢均較為平緩,即二者對總酯含量影響幅度相似,響應(yīng)面的底面等高線近似為圓,則說明二者交互作用較弱。此外,響應(yīng)圖中所反映的因素間的交互作用與回歸方程的顯著性分析結(jié)果一致。
a-壓力與時間;b-壓力與溫度;c-時間與溫度
2.2.4 響應(yīng)面工藝優(yōu)化與驗證試驗
對回歸方程進(jìn)行極值求解得到最優(yōu)工藝參數(shù)見表5。
表5 最優(yōu)工藝參數(shù)及驗證試驗結(jié)果
為了驗證回歸模型所確定的最優(yōu)條件的正確性,結(jié)合實際操作對最優(yōu)參數(shù)略作調(diào)整后進(jìn)行3次驗證試驗,試驗所得總酯含量平均為0.86 g/L,與模型預(yù)測值相差0.018 8 g/L,誤差較小。因此,本試驗所優(yōu)化的超高壓工藝參數(shù)具有較高的可行性,可用于白蘭地催陳研究。
2.3.1 總酯含量比較結(jié)果
利用本試驗優(yōu)化的超高壓處理工藝對不同陳釀時間的白蘭地酒樣中總酯含量進(jìn)行測定,以超高壓處理酒樣中總酯含量(0.86 g/L)為零水平,不同陳釀時間與超高壓處理總酯含量的差值為縱坐標(biāo)進(jìn)行作圖,結(jié)果如圖5所示。隨著陳釀時間的延長,白蘭地中總酯含量成逐漸上升趨勢,其逐年增長速率依次為10.61%、18.39%、4.72%和3.22%,即陳釀前期,白蘭地中總酯含量增加明顯,而在陳釀第7、8年時,白蘭地中總酯含量變化幅度較小。陳釀6年白蘭地總酯含量差值接近零水平,即超高壓處理組白蘭地中總酯含量與橡木桶陳釀6年的總酯含量相近。因此,在總酯含量方面,本試驗所優(yōu)化的超高壓處理工藝可達(dá)到橡木桶陳釀6年的效果。
圖5 超高壓處理工藝催陳效果評價
2.3.2 主要酯類香氣物質(zhì)比較結(jié)果
結(jié)合前人研究與本試驗測定結(jié)果[34-35],選擇乙酸乙酯、己酸乙酯、辛酸乙酯、月桂酸乙酯、癸酸乙酯、庚酸乙酯、琥珀酸二乙酯、乙酸異戊酯這8種酯類作為白蘭地的主要酯類香氣物質(zhì),并通過GC-MS測定其含量,測定結(jié)果如表6所示。
表6 白蘭地中主要酯類香氣物質(zhì)含量 單位:mg/L
由表6可知,酯類香氣物質(zhì)主要賦予白蘭地不同種類的水果香味,隨著陳釀時間的延長,各酯類香氣物質(zhì)含量整體呈上升趨勢。其中己酸乙酯、辛酸乙酯、癸酸乙酯含量增幅最大,月桂酸乙酯、乙酸異戊酯含量增幅較小。與超高壓處理組中各酯類香氣物質(zhì)含量相比,乙酸乙酯和乙酸異戊酯含量與陳釀7年白蘭地最接近,己酸乙酯、月桂酸乙酯、琥珀酸二乙酯含量與陳釀6年白蘭地最接近,辛酸乙酯含量與陳釀5年白蘭地最接近,癸酸乙酯、庚酸乙酯含量與陳釀4年白蘭地最接近。經(jīng)超高壓處理后,白蘭地中主要的酯類香氣物質(zhì)含量可達(dá)到4~7年的陳釀效果,并且超高壓處理對不同酯類香氣物質(zhì)含量的催陳效果具有一定的差異。
為進(jìn)一步探究經(jīng)超高壓處理后白蘭地酒樣中主要酯類香氣物質(zhì)與不同陳釀年份白蘭地中主要酯類香氣物質(zhì)的關(guān)系,對表6中數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后進(jìn)行熱圖(heatmap)聚類分析,其結(jié)果如圖6所示。由圖6可知,依據(jù)陳釀年份可將6個酒樣聚為2類(Ⅰ、Ⅱ),其中4、5、6年及超高壓處理組聚為Ⅰ類,其可達(dá)到VSOP級白蘭地,Ⅰ類還可細(xì)分為3類(ⅰ、ⅱ、ⅲ),其中超高壓處理組和陳釀6年白蘭地聚為ⅲ類,則表明超高壓處理后白蘭地中主要酯類香氣物質(zhì)可達(dá)到橡木桶陳釀6年的效果;陳釀7、8年白蘭地酒樣為Ⅱ類,可達(dá)到XO級,并且主要酯類香氣物質(zhì)含量較高。
圖6 白蘭地中主要酯類香氣物質(zhì)聚類分析
綜合分析總酯含量、主要酯類物質(zhì)含量及聚類分析結(jié)果可知,優(yōu)化超高壓工藝處理后的白蘭地酒樣,其在總酯含量及主要酯類香氣方面有了明顯提升,可基本達(dá)到橡木桶陳釀6年的效果,但8種主要酯類香氣物質(zhì)并非均達(dá)到陳釀6年的效果,即超高壓催陳后白蘭地各指標(biāo)并不能與陳釀特定時間白蘭地各指標(biāo)對應(yīng)。因此,白蘭地的陳釀不能單純依靠催陳技術(shù)來實現(xiàn),而高新的催陳技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)的陳釀方式可能會成為對白蘭地催陳研究的新方向。此外,總酯類含量對白蘭地的品質(zhì)固然重要,其他指標(biāo)對白蘭地品質(zhì)的形成也具有一定的影響,而超高壓處理對白蘭地其他指標(biāo)方面影響的相關(guān)研究還嚴(yán)重不足。因此,我們還需進(jìn)一步綜合研究超高壓技術(shù)在白蘭地催陳處理中的應(yīng)用前景,進(jìn)而早日實現(xiàn)超高壓催陳白蘭地的工業(yè)化進(jìn)程。
本文以白玉霓葡萄白蘭地基酒為原料,對催陳工藝進(jìn)行優(yōu)化,得到的最優(yōu)處理工藝參數(shù)為:處理壓力309 MPa,處理時間51 min,處理溫度25 ℃,此條件下總酯含量為0.86 g/L;催陳效果評價結(jié)果顯示,本試驗優(yōu)化的超高壓催陳方法可達(dá)到橡木桶陳釀6年的總酯效果;熱圖聚類分析結(jié)果顯示,超高壓處理后白蘭地中主要酯類香氣物質(zhì)可基本達(dá)到橡木桶陳釀6年的效果。此外,本試驗中8種主要酯類香氣物質(zhì)含量可達(dá)到4~7年的陳釀效果,并且超高壓處理對各酯類香氣物質(zhì)含量的催陳效果具有一定的差異。