江思瑤,宋 昊,陳 晨,鄭玉芝,*
(1.北京市食品及釀酒產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)一站,北京 101111; 2.北京一輕研究院,北京101111)
白酒酒糟是白酒行業(yè)的主要副產(chǎn)物,白酒是以糧谷為主要原料,用大曲、小曲或麩曲及酒母為糖化發(fā)酵劑,經(jīng)蒸煮、發(fā)酵、蒸餾而制成的飲料酒,發(fā)酵成熟的酒醅經(jīng)蒸餾取酒后產(chǎn)生的酒糟少部分再循環(huán)利用,大部分被丟棄或作為飼料等,故又名丟糟。據(jù)統(tǒng)計(jì),中國白酒行業(yè)每年會(huì)產(chǎn)生大約1億噸酒糟[1]。酒糟本身由于發(fā)酵不完全等原因,其中殘存有未能完全利用的淀粉、糖類、被富集的蛋白質(zhì)、代謝產(chǎn)物氨基酸、維生素、風(fēng)味物質(zhì)(有機(jī)酸、醇、酯、酚、胺、烷、酮、醛等)、含氮化合物、雜環(huán)類化合物等[2]。若任其排放、不及時(shí)處理,就會(huì)腐敗變質(zhì),將嚴(yán)重污染環(huán)境,是一種極大的資源浪費(fèi)。如何實(shí)現(xiàn)利潤最大化、減少污染,是實(shí)現(xiàn)酒糟綜合利用研究的重點(diǎn)[3]。
酒糟中的風(fēng)味物質(zhì)含量很高,尤其有機(jī)酸類,總酸含量可達(dá)2%以上,發(fā)酵周期長的醬香酒糟可達(dá)4%左右,而且其酸的組成豐富,口感協(xié)調(diào),主要以乳酸為主,是理想的調(diào)味酒原料。采用水提取法可以有效地將酸類物質(zhì)提取出來,同時(shí)酒糟中殘余的水溶性醇、酯類等香氣成分也可一并獲得。白酒酒體設(shè)計(jì)[4-5]是中國釀酒業(yè)傳統(tǒng)的一道工藝,它通過酒勾酒,使酒體內(nèi)含有的各類有機(jī)物質(zhì)達(dá)到一種平衡,表現(xiàn)出不同風(fēng)格的典型特征。常見的調(diào)味酒有高酸調(diào)味酒、高酯調(diào)味酒、糧香調(diào)味酒、底糟調(diào)味酒、濃醬調(diào)味酒、窖香調(diào)味酒等[6]。高酸調(diào)味酒是酒體調(diào)配時(shí)使用較多的一種,這是因?yàn)橛袡C(jī)酸對(duì)白酒的香氣與口感有著重要影響。白酒中的酸類物質(zhì)可以增加酒體后味;提升酒體醇厚度;降低水味;消除苦味和雜味;降低燥辣感;使酒體出現(xiàn)回甜感并穩(wěn)定香和味[7]。
范文來等[8]應(yīng)用液液微萃取結(jié)合氣質(zhì)聯(lián)用(GC-MS)、超高效液相色譜(UPLC)和衍生化結(jié)合GC-MS方法分別測定11個(gè)香型白酒原酒中42種有機(jī)酸。結(jié)果表明,乙酸和乳酸是白酒中含量最高的有機(jī)酸,平均含量在600 mg/L以上,分別占有機(jī)酸總量的41%和43%,占有機(jī)酸總量的84%以上,其中乳酸在中國白酒中含量尤其高,明顯高于國外的蒸餾酒,如白蘭地(44.7 mg/L)[9-10],巴西甘蔗酒(10.1~164.8 mg/L)[11]。這是由中國白酒生產(chǎn)發(fā)酵方式?jīng)Q定的,所以研究制備高乳酸含量的高酸調(diào)味酒,不僅利于高端白酒的酒體設(shè)計(jì)及改進(jìn),也可減少低端白酒食品添加劑的使用。
本研究以醬香白酒酒糟為原料,采用水提取、膜處理的工藝制備酒糟提取液,應(yīng)用頂空固相微萃取方法結(jié)合氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)(HS-SPME-GC-MS)定性分析酒糟及提取液中豐富的香氣成分及高效液相色譜(HPLC)分析提取液中有機(jī)酸的種類及含量。由于乳酸沸點(diǎn)較高,傳統(tǒng)白酒蒸餾工藝得到的乳酸含量甚微,本研究中創(chuàng)新性利用了分子蒸餾技術(shù)分離酒糟提取液中乳酸等高沸點(diǎn)酸,同時(shí)比較了常壓蒸餾、減壓蒸餾、分子蒸餾三種方式的乳酸和乙酸分離效果,為從白酒酒糟中分離有機(jī)酸及香氣成分制備高酸調(diào)味酒,實(shí)現(xiàn)酒糟的循環(huán)利用[12]提供技術(shù)支撐。
醬香白酒酒糟 河北某酒廠;甲醇 色譜純,德國Meker公司;其它試劑 為分析純;8種有機(jī)酸標(biāo)準(zhǔn)品:乳酸(純度91.2%),甲酸(純度99.4%),己酸(純度99.5%),丁酸(純度99.6%),丙酸(純度98.3%),檸檬酸一水合物(純度99.7%),乙酸(純度99.9%),DL-酒石酸(純度99.5%) 德國Dr.Ehrenstorfer。
Multivapor p-6平行蒸發(fā)儀 瑞士BUCHI公司;POPE 2″ WIPED-FILM STILL POPE實(shí)驗(yàn)室用兩英寸刮膜式分子蒸餾(含薄膜蒸發(fā))裝置 美國POPE科學(xué)公司;PL-D3-1812實(shí)驗(yàn)型多功能膜系統(tǒng) 安徽普朗膜技術(shù)有限公司;LC-20AT高效液相色譜 日本島津公司;7890A-5975C氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀 美國安捷倫公司;SD-UPT-20UVF純水機(jī) 北京惠源三達(dá)水處理設(shè)備有限公司。
1.2.1 酒糟提取液的制備
1.2.1.1 酒糟的水提取 酒糟為酒廠蒸餾后的丟糟,采用有側(cè)排液口的5 L不銹鋼桶,裝填2 kg酒糟,用4 kg水噴淋,收集淋洗液。重復(fù)裝填酒糟、淋洗,至收集淋洗液達(dá)20 L,用作下一步膜處理。
1.2.1.2 膜處理 采用膜系統(tǒng)對(duì)酒糟水提取后的液體進(jìn)行處理,依次通過超濾膜(截留分子量5000~100000 Da)、納濾膜(截留分子量100~500 Da),去除大分子雜質(zhì),再經(jīng)反滲透膜脫水濃縮[13],得到澄清透明的酒糟提取液。進(jìn)一步蒸餾,并分析提取液中總酸、總酯、香氣成分和有機(jī)酸。
1.2.2 酒糟提取液的有機(jī)酸蒸餾
1.2.2.1 酒糟提取液的常壓蒸餾 采用普通壓力鍋改裝(排氣孔處連接硅膠管,硅膠管連接冷凝管收集蒸餾產(chǎn)物),鍋中架蒸屜,鋪1 kg經(jīng)1.2.1.1水提取后的酒糟,鍋底加二級(jí)水2 L,將1 L酒糟提取液噴在酒糟中,壓力鍋置于電爐上加熱,收集餾出液900 mL,模擬蒸酒甑鍋,用于酒糟提取液的常壓蒸餾。并分析餾出液的總酸、乙酸和乳酸含量。
1.2.2.2 酒糟提取液的減壓蒸餾 采用平行蒸發(fā)儀用于酒糟提取液的減壓蒸餾,將150 mL的酒糟提取液等分放入平行蒸發(fā)儀的6個(gè)蒸餾瓶中,調(diào)節(jié)真空度1500 Pa,溫度80 ℃,進(jìn)行減壓蒸餾,直至餾出液體積為140 mL。并分析餾出液的總酸、乙酸和乳酸含量。
1.2.2.3 酒糟提取液的分子蒸餾 采用分子蒸餾[14]技術(shù)對(duì)提取液進(jìn)行分離,將酒糟提取液加入分子蒸餾裝置中的進(jìn)料瓶中,調(diào)節(jié)加熱面溫度90~120 ℃,真空度1200~1330 Pa,刮板轉(zhuǎn)速30~50 r/min,收集目標(biāo)產(chǎn)物餾出物和殘留物,并分析其乙酸和乳酸含量。
1.2.3 指標(biāo)測定
1.2.3.1 白酒酒糟中總酸(滴定法,以乳酸計(jì))檢測 稱取10 g酒糟于250 mL燒杯中,加入100 mL煮沸冷卻的二級(jí)水,不斷攪拌,于室溫浸泡15 min,過濾,取10 mL濾液于150 mL三角瓶中,加入20 mL煮沸冷卻的二級(jí)水和兩滴酚酞,用0.1 mol/L氫氧化鈉滴定至微紅色30 s不退[15]。
1.2.3.2 酒糟及酒糟提取液中香氣成分檢測(HS-SPME-GC-MS) 頂空固相微萃取條件:取7.5 g酒糟或6 mL酒糟提取液,置于15 mL頂空樣品瓶中,加蓋密封,在50 ℃下平衡30 min。將預(yù)先進(jìn)行高溫老化(240 ℃,30 min)后的固相微萃取針頭(灰色50/30 μm,DVB/CAR/PDMS)插入頂空樣品瓶,推出萃取纖維頭,在50 ℃下頂空萃取30 min,最后將萃取頭插入色譜進(jìn)樣口,在240 ℃解吸5 min,進(jìn)行GC-MS分析。
氣相色譜條件:色譜柱:Agilent DB-WAX,30 m×320 μm×0.25 μm;進(jìn)樣口:240 ℃;載氣:He;流速:1.5 mL/min;不分流進(jìn)樣;升溫程序:35 ℃保持4 min,5 ℃/min升至150 ℃保持4 min,3 ℃/min升至220 ℃保持5 min;
質(zhì)譜條件:電子轟擊離子源;電子能量70 eV;傳輸線溫度240 ℃;離子源溫度230 ℃;激活電壓1.5 V;質(zhì)量掃描范圍m/z 30.00~500.00。
1.2.3.3 酒糟提取液中總酸(滴定法,以乳酸計(jì))檢測 參照GB/T 12456-2008 食品中總酸的測定[16]。
1.2.3.4 酒糟提取液中總酯(以乙酸乙酯計(jì))檢測 參照GB/T 10345-2007 白酒分析方法[17]。
1.2.3.5 酒糟提取液中有機(jī)酸(酒石酸、甲酸、乳酸、乙酸、檸檬酸、丙酸、丁酸、己酸)檢測(HPLC法) 色譜柱:Welch AQ-C18 4.6 mm×250 mm,5 μm;柱溫:30 ℃;紫外檢測波長:210 nm;流動(dòng)相:A:甲醇,B:磷酸二氫鉀水溶液(0.02 mol/L),磷酸調(diào)pH為2.4;梯度洗脫:0 min:95% B;25 min:15% B;35 min:95% B;45 min:95% B停止;流速1.0 mL/min;樣品處理:提取液用二級(jí)水稀釋10倍,過濾進(jìn)樣10 μL,外標(biāo)法定量。
醬香型白酒的呈香呈味物質(zhì)較其他香型白酒豐富,蒸餾后的酒糟中仍含有豐富的酸類物質(zhì)及香氣成分。經(jīng)檢測醬香酒糟中總酸含量為3.87%,應(yīng)用HS-SPME-GC-MS分析醬香酒糟中香氣成分結(jié)果見表1。頂空固相微萃取技術(shù)適用于揮發(fā)性和半揮發(fā)性物質(zhì)的提取,對(duì)于定性分析酒糟/提取液中的微量香氣成分是快捷、有效的[18-19]。
表1 醬香酒糟中香氣成分Table 1 The flavoring compositions of Jiang-flavor distiller’s grains
從表1結(jié)果可見,醬香酒糟中含有44種香氣成分,有20種酯、6種酸、8種醇、4種醛、2種酚、1種酮及3種芳香族化合物。其中大部分種類是高沸點(diǎn)的高級(jí)醇、酯、酸等物質(zhì),這是由于大量低分子量、低沸點(diǎn)的香氣成分在白酒生產(chǎn)過程已被蒸入酒中,大量的高沸點(diǎn)香氣成分不易蒸出。44種香氣成分中有近一半是酯類,如己酸乙酯、乳酸乙酯、庚酸乙酯都是白酒中常見有代表性的香氣成分,而乙酸、丁酸、戊酸和己酸也是白酒中含量較高的有機(jī)酸。由此可見,酒糟中仍含有多種可利用酸類物質(zhì)及酒用香氣成分,可被提取循環(huán)利用。
2.2.1 酒糟提取液中香氣成分分析 為提取醬香酒糟中的有機(jī)酸及香氣成分,本研究對(duì)酒糟進(jìn)行水淋洗提取,再通過超濾膜及納濾膜過濾凈化,反滲透膜濃縮得到澄清透明的提取液。
經(jīng)HS-SPME-GC-MS檢測,提取液中香氣成分達(dá)20種,詳見表2。提取液中香氣成分與表1中醬香酒糟香氣成分相比,數(shù)量有所減少、類別也發(fā)生變化。原因主要有三個(gè)方面,一是經(jīng)水提取和膜處理后,各香氣成分的濃度有所降低,有些成分在頂空固相微萃取時(shí)揮發(fā)到液相上方氣相中的濃度低于萃取頭的吸附最低濃度;二是有些成分在經(jīng)膜處理后,被超濾、納濾膜所截留,未能進(jìn)入到提取液中;三是發(fā)生在頂空固相微萃取的分子擴(kuò)散吸附過程中,分子要從提取液的液體中擴(kuò)散到上面氣相中才能被萃取頭所吸附,這一過程需要克服一定的分子間作用力,而酒糟中的部分香氣成分是吸附于稻殼之上,二者所需克服的分子作用力不同。
表2 提取液中香氣成分Table 2 The flavoring compositions of extracts from distiller’s grains
在鑒定得到的20種香氣成分中,有12種酯、2種酸、3種醇、3種醛,其中超過一半的香氣成分為酯類。利用白酒分析方法測定提取液中總酯含量為1.42 g/L,與蒸餾白酒中總酯含量相當(dāng)。由此可見,本研究設(shè)計(jì)的酒糟提取方式能夠提取出酒糟中豐富的香氣成分。
2.2.2 酒糟提取液中有機(jī)酸成分分析 本研究的重點(diǎn)是提取酒糟中的酸類物質(zhì),采用HPLC分析膜處理后提取液中8種有機(jī)酸含量,檢測的8種有機(jī)酸均為白酒中常見的酸類成分,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。
表3 提取液有機(jī)酸成分Table 3 The organic acids of extracts from distiller’s grains
從表3結(jié)果可見,提取液中高沸點(diǎn)的不揮發(fā)酸(乳酸、酒石酸、檸檬酸)含量明顯高于低沸點(diǎn)揮發(fā)性酸(甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、己酸),這是因?yàn)榇蟛糠謸]發(fā)性酸在甑鍋蒸餾過程中已被蒸入酒中,而高沸點(diǎn)的有機(jī)酸只能少部分入酒,所以較大量的高沸點(diǎn)有機(jī)酸殘留在酒糟內(nèi)。揮發(fā)性酸都是極性分子,都能與水、乙醇形成較強(qiáng)的氫鍵,也不能夠完全蒸出,仍會(huì)在酒糟中有所存留。所以在提取液中可同時(shí)檢測到揮發(fā)酸與不揮發(fā)酸,并且不揮發(fā)酸含量遠(yuǎn)高于揮發(fā)酸。
乳酸作為白酒中酸味的主要來源之一,在提取液的有機(jī)酸中含量最高,可達(dá)1.84%,乳酸的存在可增加白酒的醇厚感。乙酸雖為揮發(fā)性酸,但作為白酒含量最高的兩種酸之一,在提取液中含量也較高,達(dá)0.237%,感官有刺激性氣味,爽口微甜。己酸也是白酒中含量較高的有機(jī)酸,在提取液中含量為0.0952%,感官有脂肪臭、曲味。同為揮發(fā)性酸的甲酸、丙酸、丁酸,含量依次為0.00717%、0.00902%、0.0241%。檢測到的5種揮發(fā)酸甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、己酸,隨著分子量依次增加,極性依次減弱、沸點(diǎn)依次增高、刺激性也逐漸減弱,口味趨于柔和。酒石酸、檸檬酸作為白酒中常見的不揮發(fā)性有機(jī)酸,在酒糟提取液中含量為0.0592%、0.113%,二者可與其他有機(jī)酸協(xié)同作用,促進(jìn)酒體的豐滿、協(xié)調(diào)。綜上分析可見,水提取、膜處理的工藝可成功提取酒糟中的有機(jī)酸。
2.2.3 酒糟提取液中呈香呈味物質(zhì)分析 將酒糟提取液中的有機(jī)酸(表3)和香氣成分(表2)歸納總結(jié),并與白酒中常見的呈香呈味物質(zhì)[15]對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn)提取液中含有16種白酒中常見的呈香呈味物質(zhì),其沸點(diǎn)及感官評(píng)價(jià)見表4。
表4 酒糟提取液中呈香呈味物質(zhì)的沸點(diǎn)及感官評(píng)價(jià)Table 4 The boiling points and sensory evaluations of the extractions from distiller’s grains
從對(duì)提取液的各項(xiàng)成分分析結(jié)果可見,水提取、膜分離的工藝不但可以有效提取醬香酒糟中的多種有機(jī)酸(主要是乳酸),還可以獲得多種高沸點(diǎn)香氣成分,這些高沸點(diǎn)的香氣成分是很難從酒糟中直接蒸餾得到,但其對(duì)豐富酒體,維持酒體香氣成分平衡及典型性至關(guān)重要。并且研究中對(duì)提取液中有機(jī)酸的組成分析,可以指導(dǎo)其后續(xù)應(yīng)用方向,不僅可用于制備高酸調(diào)味酒,也可應(yīng)用于其他調(diào)味領(lǐng)域。
2.3.1 常壓、減壓蒸餾產(chǎn)物有機(jī)酸分析 為了不改變傳統(tǒng)白酒的蒸餾方式,嘗試常壓和減壓蒸餾酒糟提取液(實(shí)驗(yàn)步驟見1.2.2.1和1.2.2.2),并定量分析餾出液中總酸、乳酸和乙酸的含量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。
表5 常壓和減壓蒸餾餾出液的酸成分分析Table 5 Analysis of acids in distillate from atmospheric distillation and vacuum distillation
酒糟提取液中乙酸沸點(diǎn)117.9 ℃,屬于揮發(fā)酸,而乳酸沸點(diǎn)很高122.0 ℃(2 kPa)。由表5數(shù)據(jù)可見,常壓蒸餾只能將低沸點(diǎn)的乙酸蒸餾出來,而不能獲得高沸點(diǎn)乳酸;而減壓蒸餾只能夠蒸餾出很少量的乳酸。綜上可見,傳統(tǒng)的常壓和減壓蒸餾不能夠分離得到乳酸,必須尋找新的分離方法。
2.3.2 分子蒸餾產(chǎn)物有機(jī)酸分析 分子蒸餾是一種在高真空下操作的液-液分離技術(shù)[20-22],它可以在遠(yuǎn)低于物料沸點(diǎn)的溫度下操作,適用于高沸點(diǎn)、熱敏及易氧化物料的分離。分子蒸餾技術(shù)不同于傳統(tǒng)蒸餾的依靠沸點(diǎn)差別分離,而是靠不同物質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)平均自由程的差別實(shí)現(xiàn)分離。
實(shí)驗(yàn)采用POPE兩英寸刮膜式分子蒸餾(含薄膜蒸發(fā))裝置對(duì)提取液進(jìn)行分離,該裝置兼具薄膜蒸發(fā)和分子蒸餾功能。薄膜蒸發(fā)作為第一級(jí)處理,分子蒸餾作為第二級(jí)處理。提取液由裝料瓶進(jìn)入蒸餾器,在高真空度且加熱的條件下,較輕的分子(如水分子等)會(huì)從蒸餾器上端溢出,進(jìn)入外置冷凝器,冷凝后流入外置收集瓶中,少許未被及時(shí)冷凝的組分進(jìn)入冷阱(-80 ℃)被捕集。其余液體混合物沿著加熱面流動(dòng),通過旋轉(zhuǎn)的刮板擴(kuò)展成薄膜,輕、重分子會(huì)逸出液面而變成氣相,由于其中輕、重分子的自由程不同,導(dǎo)致不同物質(zhì)的氣相分子移動(dòng)間隔不同,輕分子作為目標(biāo)產(chǎn)物達(dá)到冷凝器被冷凝流入餾出物接收瓶中,而重分子達(dá)不到冷凝器,則隨著未被蒸發(fā)的殘余液體進(jìn)入底部的殘留物接收瓶中。這樣,達(dá)到物質(zhì)分離的目的[23-25]。
為了探究分子蒸餾分離有機(jī)酸(主要是乳酸)的可行性,進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)條件的初步探索。實(shí)驗(yàn)通過調(diào)整加熱面溫度、刮板轉(zhuǎn)速、真空度,分析餾出物和殘留物中乳酸及乙酸含量,從而初步確定乳酸的分子蒸餾分離條件,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6。
表6 分子蒸餾餾出物和殘留物的酸成分分析Table 6 Analysis of acids in distillate and residue from molecular distillation
在1、2號(hào)實(shí)驗(yàn)中,酸含量分別為1.30%和2.73%的提取液在加熱面溫度90 ℃,真空度1260 Pa,刮板轉(zhuǎn)速30 r/min下分離,經(jīng)檢測在餾出物中乙酸和乳酸均少量存在,大量的乳酸和乙酸未被蒸出,說明此時(shí)未達(dá)到乳酸的分離條件。并且在1、2號(hào)實(shí)驗(yàn)時(shí),蒸餾初期餾出物主要是水。為了得到高沸點(diǎn)乳酸,將經(jīng)過分子蒸餾初脫水后總酸含量為17.9%的樣液作為3號(hào)實(shí)驗(yàn)樣品,進(jìn)行再次蒸餾,提高加熱面溫度和刮板轉(zhuǎn)速至120 ℃、50 r/min,檢測餾出物,發(fā)現(xiàn)乙酸己被全部蒸出,乳酸含量達(dá)24.1%。證實(shí)在加熱面溫度120 ℃;真空度1260 Pa;刮板轉(zhuǎn)速50 r/min的實(shí)驗(yàn)條件下,分子蒸餾能夠成功分離提取液中高沸點(diǎn)的乳酸。
白酒酒糟中含有多種有機(jī)酸及香氣成分,本文采用HS-SPME-GC-MS分析醬香型酒糟中香氣成分,共發(fā)現(xiàn)醇、酸、酯、醛、酮等44種風(fēng)味物質(zhì),并且酒糟中酸含量較高,達(dá)3.87%,可用于提取制備高酸調(diào)味酒。
醬香酒糟經(jīng)水提取、膜處理后可得到澄清透明的提取液,采用HS-SPME-GC-MS及HPLC分析提取液中的香氣成分和有機(jī)酸,定性分析出20種香氣成分,包含12種酯、2種酸、3種醇、3種醛;定量出8種白酒中常見有機(jī)酸,其中乳酸含量1.84%、乙酸含量0.237%、檸檬酸含量0.113%、己酸含量0.0952%、酒石酸含量0.0592%、丁酸含量0.0241%、丙酸含量0.00902%、甲酸含量0.00717%,證實(shí)水提取、膜處理的工藝可有效的提取酒糟中的有機(jī)酸(主要是乳酸)和香氣成分,可用于制備高酸調(diào)味酒或應(yīng)用于其他酸性調(diào)味領(lǐng)域。
進(jìn)一步研究了不同蒸餾方式分離高沸點(diǎn)乳酸等有機(jī)酸的可行性,分別采用常壓、減壓和分子蒸餾三種方式,并應(yīng)用HPLC檢測三種蒸餾方式餾出物中的乙酸及乳酸含量,對(duì)比分析,結(jié)果證實(shí)分子蒸餾可實(shí)現(xiàn)提取液中乳酸的分離,餾出物中乳酸含量達(dá)24.1%。