大孔樹脂對白葡萄酒中異戊醇的吸附動力學(xué)研究

李 震，陳瑤瑤，劉英學(xué)，崔旋旋，鄧 陽，樸美子，李 巖*

（1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266109；2.青島中一監(jiān)測有限公司，山東青島 266100；3.青島海潤農(nóng)大檢測有限公司，山東青島 266109）

在葡萄酒釀造期間，由于微生物的發(fā)酵作用，會產(chǎn)生一部分高級醇，其中，最主要的是異戊醇，其含量約為90～300 mg/L。較低含量的高級醇會賦予葡萄酒特殊的玫瑰香氣，是葡萄酒中不可或缺的芳香物質(zhì)之一[1-5]。葡萄酒中高級醇形成機(jī)理主要包括：特定的氨基酸經(jīng)脫氨基作用形成[6-9]、糖酵解過程中經(jīng)丙酮酸途徑形成[10-13]、酵母利用乙?；摩?酮酸形成[14-18]。然而，葡萄酒中的高級醇含量過高時會產(chǎn)生“酒后上頭”的現(xiàn)象，長期飲用會對人體的健康產(chǎn)生影響，引起頭痛、惡心、嘔吐等癥狀[19-21]。因此，控制葡萄酒中高級醇的含量對提高葡萄酒的品質(zhì)有著至關(guān)重要的作用。

目前，常見的高級醇控制方法一般包括：選擇人工栽培的優(yōu)質(zhì)葡萄作為釀酒原料，使用具有產(chǎn)低高級醇特性的釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae），控制接種量、發(fā)酵溫度、加糖量及方式、控制溶氧含量等[22-25]。這些方法僅適用于釀造開始及釀造過程中高級醇的控制，然而釀造結(jié)束之后，以上方法將不再起任何作用。使用大孔樹脂吸附高級醇是一項可應(yīng)用于葡萄酒生產(chǎn)的下游控制技術(shù)，吸附作用主要依賴于其與被吸附的分子之間的范德華力，屬于選擇性的物理吸附，不會對酒體品質(zhì)產(chǎn)生影響[26-27]。

本實驗以白葡萄酒為原料，分別比較4種市售苯乙烯基大孔樹脂（D101、D204、AB-8、X-5）對白葡萄酒中異戊醇的吸附效果，選取最佳大孔樹脂。在此基礎(chǔ)上，采用動力學(xué)方法進(jìn)一步研究最佳大孔樹脂的吸附及解吸特性，以期為構(gòu)建D101大孔樹脂吸附白葡萄酒中異戊醇的理論模型提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

白葡萄酒：華東葡萄酒公司；4種苯乙烯基大孔樹脂（表1）：天津浩聚樹脂科技有限公司；異戊醇、乙醇、酒石酸（均為分析純）：上海吉至生化科技有限公司。

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

1.2 儀器與設(shè)備

7890A氣相色譜（gas chromatography，GC）儀（配氫火焰離子化檢測器）：日本島津公司；AR1140電子分析天平：奧豪斯國際貿(mào)易（上海）有限公司；普通玻璃層析柱（1.6 cm×20 cm）：北京瑞達(dá)恒輝科技發(fā)展有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 葡萄酒中異戊醇含量的測定

異戊醇含量的測定方法采用輕工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QB/T 4849—2015《葡萄酒中揮發(fā)性醇類的測定方法靜態(tài)頂空-氣相色譜法》。

靜態(tài)頂空條件：平衡溫度50 ℃；平衡時間30 min；振蕩頻率500 r/min。

GC條件：色譜柱為聚乙二醇毛細(xì)管柱（50 m×0.25 mm×0.25 μm）；進(jìn)樣口溫度200 ℃；檢測器溫度250 ℃；程序升溫：初始溫度35 ℃，保持1 min，以3.5 ℃/min升溫至120 ℃，再以15 ℃/min升溫至200 ℃，保持2 min；流速1 mL/min；進(jìn)樣口設(shè)為不分流模式。

根據(jù)異戊醇標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（230 mg/L）的保留時間進(jìn)行定性，采用外標(biāo)法進(jìn)行定量。

1.3.2 大孔樹脂的篩選

大孔樹脂預(yù)處理：分別取D101、D204、AB-8、X-5大孔樹脂各25 g，用20 mL無水乙醇浸泡24 h后，用去離子水清洗至無味、無白色沉淀物，備用。

靜置吸附：分別稱取預(yù)處理完成的4種大孔樹脂各2.5 g，與40 mL白葡萄酒一并轉(zhuǎn)移至150 mL錐形瓶中并做好標(biāo)記，25 ℃條件下靜置吸附12 h后，采用靜態(tài)頂空-氣相色譜法測定白葡萄酒中異戊醇的含量。

振蕩吸附：分別稱取預(yù)處理完成的4種大孔樹脂各2.5 g，與40 mL白葡萄酒一并轉(zhuǎn)移至150 mL錐形瓶中并做好標(biāo)記，25 ℃、120 r/min條件下振蕩吸附12 h后，采用靜態(tài)頂空-氣相色譜法測定白葡萄酒中異戊醇的含量。

通過數(shù)據(jù)對比選出異戊醇吸附效果最佳的大孔樹脂。

1.3.3 最佳大孔樹脂的振蕩吸附及解吸

振蕩吸附：稱取吸附效果最佳的大孔樹脂2.5 g，與40 mL白葡萄酒一并轉(zhuǎn)移至150 mL錐形瓶中并做好標(biāo)記，25 ℃、120 r/min條件下水浴振蕩72 h，每隔24 h取樣，采用靜態(tài)頂空-氣相色譜法測定白葡萄酒中異戊醇的含量，并計算吸附率，其計算公式見式（1）。

振蕩解吸：將振蕩吸附后的大孔樹脂用濾紙過濾后，加入40 mL體積分?jǐn)?shù)為60%的乙醇溶液，25 ℃、120 r/min條件下水浴振蕩72 h，每隔24 h取樣，采用靜態(tài)頂空-氣相色譜法測定溶液中異戊醇的含量，并計算解吸率，其計算公式如式（2）。

1.3.4 吸附等溫線

以所測的原酒液中異戊醇含量為基礎(chǔ)，通過向原酒液中添加適量的異戊醇標(biāo)準(zhǔn)品的方式，配制成異戊醇含量分別為230 mg/L、310 mg/L、390 mg/L、470 mg/L、550 mg/L、630 mg/L的酒樣，備用。

準(zhǔn)確稱量5 g吸附效果最佳的大孔樹脂，共6份，分別移取20 mL異戊醇含量不同的酒樣于錐形瓶中，加入大孔樹脂并混勻，25 ℃、120 r/min條件下水浴振蕩72 h，采用靜態(tài)頂空-氣相色譜法測定酒中異戊醇的含量，根據(jù)方程式（3）計算平衡時的吸附量（Qe）[28]，并采SigmaPlot 12.5擬合得到Langmuir吸附等溫線及Freundlich吸附等溫線。

式中：Qe為平衡時吸附量，mg/g；C0為酒樣中異戊醇初始質(zhì)量濃度，mg/L；Ce為處于平衡狀態(tài)下異戊醇的質(zhì)量濃度，mg/L；V為酒樣體積，mL；W為大孔樹脂質(zhì)量，g。

Langmuir方程是常用的吸附等溫線方程之一，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于吸附學(xué)方面。吸附等溫線方程式見式（4）[28]。

線性化變換可得到方程（5）。

式中：Qm為吸附劑的最大吸附量，mg/g；Ce為處于平衡狀態(tài)下異戊醇的質(zhì)量濃度，mg/L；KL為吸附和解吸速率常數(shù)之比。

Freundlich是一個經(jīng)驗方程，被廣泛描述吸附劑和溶質(zhì)之間的吸附特性，假設(shè)方程形式如（6）所示[29]。

對方程（6）進(jìn)行線性變換，得到方程（7）。

式中：Ce是處于平衡狀態(tài)下異戊醇的質(zhì)量濃度，mg/L；KF為Freundlich常數(shù)；n是在一定范圍內(nèi)表示吸附過程的經(jīng)驗系數(shù)。

1.3.5 吸附動力學(xué)

準(zhǔn)確稱量2.5 g吸附效果最佳的大孔樹脂，并與40 mL白葡萄酒一并轉(zhuǎn)移至150 mL錐形瓶中，25 ℃、120 r/min條件下水浴振蕩72 h，每隔12 h取樣，采用準(zhǔn)一級動力學(xué)模型式（8）和準(zhǔn)二級動力學(xué)模型式（9）對吸附動力學(xué)進(jìn)行評價，并選取吸附飽和的樹脂進(jìn)行后續(xù)的動態(tài)洗脫試驗[30]。

式中：k1和k2分別為準(zhǔn)一級動力學(xué)模型和準(zhǔn)二級動力學(xué)模型速率常數(shù)，min-1；t為吸附時間，min；Qe為平衡吸附量，mg/g；Qt為t時刻的吸附量，mg/g。

1.3.6 動態(tài)解吸試驗

用濾紙過濾飽和吸附后的大孔樹脂，將過濾后的大孔樹脂裝入層析柱中，組裝好恒流泵，解吸液為體積分?jǐn)?shù)為60%的乙醇，流速為2 mL/min，解吸時間為72 h，每隔12 h取樣，采用靜態(tài)頂空-氣相色譜法測定溶液中異戊醇的含量。

1.3.7 數(shù)據(jù)分析

在每組試驗中設(shè)置三組平行試驗，使用SPSS 19.0、Excel 2016等軟件處理試驗數(shù)據(jù)；使用SigmaPlot12.5進(jìn)行方程擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 大孔樹脂的篩選

異戊醇標(biāo)準(zhǔn)品（230 mg/L）及白葡萄酒樣中異戊醇的氣相色譜圖見圖1。

圖1 異戊醇標(biāo)準(zhǔn)品（A）及白葡萄酒樣中異戊醇（B）的氣相色譜圖Fig.1 Gas chromatography of isopentanol standard (A) and isopentanol in white wine samples (B)

由圖1可知，異戊醇的出峰時間均為8.307 min，兩者的出峰時間一致。此外，白葡萄酒樣中存在其他色譜峰，表明酒液中還存在其他成分，如揮發(fā)性的酸類、醛類、酯類、高級醇等。李先奇[7]研究表明，葡萄酒中的高級醇含量通常為80～540 mg/L，該白葡萄酒樣中的異戊醇含量為228 mg/L，在上述范圍內(nèi)。采用該方法對大孔樹脂吸附后白葡萄酒樣中的異戊醇含量進(jìn)行測定，結(jié)果見圖2。

圖2 靜置吸附及振蕩吸附對不同大孔樹脂吸附異戊醇效果的影響Fig.2 Effect of static adsorption and oscillation adsorption on isopentanol adsorption by different macroporous resins

由圖2可知，除D204大孔樹脂靜置吸附外，經(jīng)大孔樹脂吸附后，白葡萄酒樣中異戊醇含量均降低，且振蕩吸附效果均顯著優(yōu)于靜置吸附（P＜0.05）。其中D101大孔樹脂吸附效果最佳，其靜置、振蕩吸附12 h后，白葡萄酒中異戊醇含量分別降低17%、53%。其次為AB-8大孔樹脂，D204大孔樹脂吸附效果最差。因此，確定D101大孔樹脂最佳，進(jìn)行后續(xù)試驗，并對D101大孔樹脂的振蕩吸附效果進(jìn)行更深入的研究。

2.2 D101大孔樹脂的振蕩吸附及解吸

為了更好地了解D101大孔樹脂對白葡萄酒中異戊醇的選擇吸附特性，對大孔樹脂D101的振蕩吸附和解吸進(jìn)行進(jìn)一步研究，結(jié)果見圖3。

圖3 D101大孔樹脂對白葡萄酒中異戊醇的振蕩吸附及解吸曲線Fig.3 Oscillation adsorption and desorption curve of isopentanol in white wine by macroporous resin D101

由圖3可知，D101大孔樹脂具有較強(qiáng)的吸附異戊醇的能力，在48 h時達(dá)到最大吸附量，可吸附原白葡萄酒液中約73%的異戊醇。通過體積分?jǐn)?shù)為60%的乙醇溶液解吸飽和吸附的大孔樹脂后，在48 h時達(dá)到最大解吸量，可解吸樹脂吸附總量的77%，說明吸附的異戊醇大部分能夠被解吸至體積分?jǐn)?shù)為60%的乙醇溶液中，表明D101大孔樹脂具有可重復(fù)利用的特性。

2.3 D101大孔樹脂振蕩吸附等溫線

測定不同振蕩吸附時間下，白葡萄酒中的異戊醇含量?；诖耍捎肧igmaPlot 12.5進(jìn)行線性擬合得到Langmuir和Freundlich吸附等溫線方程，結(jié)果見圖4及表2。

圖4 D101大孔樹脂的Langmuir (A) 和Freundlich (B) 吸附等溫線Fig.4 Langmuir (A) and Freundlich (B) adsorption isotherms of macroporous resin D101

表2 D101大孔樹脂對異戊醇吸附等溫線方程及參數(shù)Table 2 Equations and parameters of adsorption isotherms for isopentanol by macroporous resin D101

由圖4和表2可知，兩個回歸方程的回歸系數(shù)R2均＞0.9，說明兩個模型均適用于探究一定溶質(zhì)濃度范圍內(nèi)的異戊醇的吸附特性。由于Freundlich方程的相關(guān)系數(shù)R2（0.962）低于Langmuir方程的相關(guān)系數(shù)R2（0.998），因此，Langmuir吸附等溫線方程更適合用于描述D101大孔樹脂對白葡萄酒中異戊醇的吸附特性。

2.4 D101大孔樹脂振蕩吸附動力學(xué)

吸附動力學(xué)用來描述從吸附開始到達(dá)吸附平衡，吸附質(zhì)在樹脂上的吸附速率隨吸附時間變化。通過準(zhǔn)一級吸附動力學(xué)模型和準(zhǔn)二級吸附動力學(xué)模型對D101大孔樹脂吸附異戊醇進(jìn)行模擬，結(jié)果見圖5。

圖5 D101大孔樹脂吸附異戊醇的動力學(xué)模型Fig.5 Kinetic model for adsorption of isopentanol by macroporous resin D101

由圖5可知，準(zhǔn)一級吸附動力學(xué)模型和準(zhǔn)二級吸附動力學(xué)模型都能對D101大孔樹脂吸附異戊醇進(jìn)行模擬，但在不同處理時間下所得的試驗值與準(zhǔn)一級動力模型曲線更貼合。因此，準(zhǔn)一級吸附動力學(xué)模型更適合于描述D101大孔樹脂吸附異戊醇，且速率與有效吸附點呈正相關(guān)，即吸附過程是物理吸附。當(dāng)吸附0～12 h時，D101大孔樹脂吸附較快，吸附速率為5.94 mg/（L·h）；當(dāng)吸附12～24 h時，吸附速率開始下降，為3.10 mg/（L·h）；當(dāng)吸附24～48 h時，吸附速率降為1.57 mg/（L·h）；吸附48 h后，吸附達(dá)到平衡，異戊醇吸附量為（146±9）mg/L。結(jié)果表明，D101大孔樹脂在12 h內(nèi)對白葡萄酒中的異戊醇的吸附效率最高，48 h后其對異戊醇的吸附量趨于飽和。

2.5 D101大孔樹脂動態(tài)解吸過程

D101大孔樹脂對異戊醇吸附的動態(tài)解吸過程見圖6。

圖6 D101大孔樹脂對異戊醇吸附的動態(tài)解吸曲線Fig.6 Dynamic desorption curve of isopentanol adsorbed by macroporous resin D101

由圖6可知，異戊醇的解吸速率隨著處理時間的延長先升高后降低。當(dāng)解吸0～12h時，解吸速率最高，為6.38mg/（mL·h）；當(dāng)解吸36 h時，解吸量最大，為（135±8）mg/L，解吸率達(dá)84%。36 h后解吸量逐漸穩(wěn)定，分析原因可能是大孔樹脂所吸附的異戊醇已被解吸完。結(jié)果表明，D101大孔樹脂在36 h內(nèi)具有快速解吸的效果，且解吸效率優(yōu)于振蕩解吸。

3 結(jié)論

在4種市售苯乙烯基大孔樹脂（D101、D204、AB-8、X-5）中，D101大孔樹脂對白葡萄酒中的異戊醇吸附效果最佳，且振蕩吸附的效果優(yōu)于靜置吸附，其振蕩吸附12 h后，異戊醇吸附率為53%。D101大孔樹脂在體積分?jǐn)?shù)為60%的乙醇中解吸48 h時，異戊醇的解吸率最高，為77%，具有良好的可重復(fù)利用性。D101大孔吸附樹脂對白葡萄酒中異戊醇的吸附可用準(zhǔn)一級動力學(xué)吸附模型描述，且符合Langmuir吸附等溫模型。采用流速為2 mL/min的體積分?jǐn)?shù)為60%的乙醇對D101樹脂進(jìn)行動態(tài)解吸時，在36 h內(nèi)可快速解吸，最大解吸率達(dá)84%，優(yōu)于振蕩解吸效率。