利用粉末活性炭處理技術(shù)降低青梅酒中氰化物含量的研究

宋志雪，胡鵬剛 *，譚曉輝，龍運(yùn)忠，何華婷，江飛鳳，趙玲燕

（1.黔南民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 都勻 558022；2.貴州大學(xué) 貴州省發(fā)酵工程與生物制藥重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025；3.貴州大學(xué) 釀酒與食品工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；4.貴州荔波昌輝食業(yè)，貴州 荔波 558400）

青梅（Vatica mangachapoi）又稱果梅、酸梅，主要分布在我國(guó)的廣東、廣西、四川、貴州等地[1]，被譽(yù)為地球腰帶上的綠寶石——荔波盛產(chǎn)青梅，尤其是荔波縣黎明關(guān)鄉(xiāng)木朝村，生長(zhǎng)著兩萬(wàn)多畝天然野生青梅，作為全國(guó)最大的集中連片野生梅林，享有“十里梅?！敝Q[2]。青梅果實(shí)營(yíng)養(yǎng)豐富，有清除血液垃圾、預(yù)防高血壓和腦溢血等功效，還有生津止渴、增進(jìn)食欲、改善腸胃功能、增強(qiáng)肝臟功能、防老抗衰、緩解疲勞的作用[3-6]。青梅采收季節(jié)集中、果農(nóng)銷售壓力大，鮮果產(chǎn)品加工形式單一、產(chǎn)業(yè)化程度不高、機(jī)械加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展嚴(yán)重滯后，嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展[7]。為了提升當(dāng)?shù)靥禺a(chǎn)的附加值，解決當(dāng)?shù)剞r(nóng)產(chǎn)品滯銷的問(wèn)題，以青梅為原料，經(jīng)過(guò)發(fā)酵、分離、調(diào)配、過(guò)濾、陳釀、冷處理、滅菌等技術(shù)釀制成青梅酒[8]，其具有酒香怡人、果香濃郁、營(yíng)養(yǎng)成分豐富、口感柔和豐滿等特點(diǎn)，備受消費(fèi)者的青睞。

由于青梅含有氰甙類配糖體，故釀造過(guò)程中會(huì)水解產(chǎn)生一定量的氰化物[9]，人體攝入氰化物后，輕者會(huì)導(dǎo)致頭暈、頭痛、惡心、嘔吐或胸悶，重者會(huì)導(dǎo)致呼吸困難、昏迷甚至死亡，長(zhǎng)期低劑量的攝入會(huì)引起智力衰退等神經(jīng)系統(tǒng)損傷[10-11]。李超等[12]針對(duì)含氰濃度不同的廢水介紹了酸化回收法等7種含氰廢水處理方法。張明贊等[13]研究表明，可以通過(guò)預(yù)先用水浸泡原料、蒸煮時(shí)多排氣或?qū)⒃狭栏傻仁侄蝸?lái)降低白酒生產(chǎn)中氰化物的含量。仲崇波等[14]在活性炭對(duì)水解除氰的影響研究中表示，加入活性炭后，反應(yīng)時(shí)間和水解溫度會(huì)顯著影響除氰率。

本試驗(yàn)采用篩選出的粉末活性炭作為吸附劑，分別探索粉末活性炭的使用量、作用時(shí)間和作用溫度對(duì)青梅酒中氰化物含量的影響，同時(shí)進(jìn)行青梅酒的感官評(píng)價(jià)，再利用Box-Behnken響應(yīng)面試驗(yàn)，以粉末活性炭使用量、作用時(shí)間和作用溫度為響應(yīng)因子，以青梅酒的感官評(píng)分為響應(yīng)值，確定最佳工藝。既降低了青梅酒的氰化物含量，又保證了其的風(fēng)味與品質(zhì)，從而為發(fā)展當(dāng)?shù)厍嗝诽厥赓Y源產(chǎn)業(yè)提供了理論參考數(shù)據(jù)，提高了青梅酒的質(zhì)量及其附加價(jià)值，幫扶了農(nóng)民并增加了農(nóng)民收入，同時(shí)促進(jìn)并帶動(dòng)了貴州荔波旅游特殊青梅產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

青梅酒：貴州荔波昌輝食業(yè)；粉末活性炭：市售；酒石酸：天津市東麗區(qū)天大化學(xué)試劑廠；酚酞：天津石英鐘廠霸州市化工分廠；甲基橙、氫氧化鈉、磷酸二氫鉀、磷酸氫二鈉、吡唑啉酮、氯胺T：天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；乙酸：成都金山化學(xué)試劑有限公司；無(wú)水乙醇：天津市富宇精細(xì)化工有限公司；異煙酸：上海滬試化工有限公司。本試驗(yàn)所用化學(xué)試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

723可見(jiàn)分光光度計(jì)：天津冠澤科技有限公司；JJ224 BC型分析天平：常熟市雙杰測(cè)試儀器廠；DFDS-700型恒溫水浴鍋：邢臺(tái)潤(rùn)聯(lián)機(jī)械設(shè)備有限公司；DB電加熱板：江蘇科析儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 粉末活性炭對(duì)青梅酒氰化物含量影響的單因素試驗(yàn)

粉末活性炭添加量的確定：分別在100 mL的青梅酒中加入3 g、5 g、7 g、9 g、11 g粉末活性炭，在50 ℃條件下攪拌反應(yīng)2 h，反應(yīng)結(jié)束進(jìn)行過(guò)濾，分別測(cè)其氰化物的含量和感官評(píng)分，考察不同粉末活性炭的添加量對(duì)青梅酒氰化物的去除效果。

作用時(shí)間的確定：在100 mL的青梅酒原液中加入7 g粉末活性炭，在50 ℃條件下分別攪拌反應(yīng)1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h、3.0 h，反應(yīng)結(jié)束進(jìn)行過(guò)濾，分別測(cè)其氰化物的含量和感官評(píng)分，考察不同作用時(shí)間對(duì)青梅酒氰化物的去除效果。

作用溫度的確定：在100 mL的青梅酒原液中加入7 g粉末活性炭，分別在45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃、65 ℃條件下攪拌反應(yīng)2 h，反應(yīng)結(jié)束進(jìn)行過(guò)濾，分別測(cè)其氰化物的含量和感官評(píng)分，考察不同作用溫度對(duì)青梅酒氰化物的去除效果。

1.3.2 響應(yīng)面確定青梅酒氰化物的降低工藝

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以粉末活性炭處理后青梅酒的感官評(píng)分（Y）為響應(yīng)值，從粉末活性炭添加量（A）、作用時(shí)間（B）和作用溫度（C）3個(gè)因素對(duì)活性炭降低青梅酒氰化物的工藝進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)，響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平如表1所示。

表1 青梅酒氰化物含量降低工藝優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface tests for technology optimization for the reduction of cyanide content in green plum wine

1.3.3 氰化物檢測(cè)

本試驗(yàn)樣品青梅酒中氰化物含量的檢測(cè)按照GB 5009.36—2016《食品中氰化物的測(cè)定》中第一法分光光度法進(jìn)行。樣品在堿性條件下加熱除去高沸點(diǎn)有機(jī)物，然后在pH=7.0條件下，用氯胺T將氰化物轉(zhuǎn)變?yōu)槁然?，再與異煙酸-吡唑啉酮作用，生成藍(lán)色染料，與標(biāo)準(zhǔn)系列比較定量[15]。

1.3.4 感官評(píng)價(jià)

參照國(guó)標(biāo)GB/T 15038—2006《葡萄酒、果酒通用分析方法》，綜合文獻(xiàn)[16]制定青梅酒的感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。邀請(qǐng)7位具有品評(píng)師資格證書的技術(shù)人員作為評(píng)定小組，對(duì)隨機(jī)編號(hào)的樣品進(jìn)行評(píng)分，去掉最高分和最低分，取平均分，滿分為100分。

表2 青梅酒的感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Sensory evaluation standards of green plum wine

1.3.5 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 8.0對(duì)單因素試驗(yàn)結(jié)果作圖，采用Design-Expert 8.0.6進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，每組試驗(yàn)做3個(gè)平行，取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 不同粉末活性炭添加量對(duì)青梅酒中氰化物含量的影響

由圖1可知，隨著粉末活性炭添加量的增加，青梅酒中氰化物的含量逐漸降低。當(dāng)粉末活性炭添加量在3～7g/100mL范圍內(nèi)時(shí)，青梅酒的感官評(píng)分逐漸升高，當(dāng)粉末活性炭添加量在7～11 g/100 mL范圍內(nèi)時(shí)，隨著粉末活性炭的增加，感官評(píng)分迅速降低。這是因?yàn)榍杌锏拇嬖趯?duì)青梅酒的口感有一定的影響，隨著粉末活性炭添加量增加，氰化物的吸附量也增加，使得青梅酒口感協(xié)調(diào)，果香味突出，所以其感官評(píng)價(jià)逐漸升高。隨著粉末活性炭添加量增加，會(huì)導(dǎo)致青梅酒的酸度增加，同時(shí)吸附酒中的香味物質(zhì)，從而影響酒風(fēng)味和口感。因此，粉末活性炭的添加量7 g/100 mL為宜。

圖1 粉末活性炭添加量對(duì)青梅酒中氰化物含量和感官評(píng)價(jià)的影響Fig.1 Effect of activated carbon powder addition on cyanide content and sensory evaluation of green plum wine

2.1.2 不同作用時(shí)間對(duì)青梅酒中氰化物含量的影響

由圖2可知，隨著粉末活性炭作用時(shí)間的延長(zhǎng)，青梅酒中氰化物的含量逐漸降低。在1～2 h范圍內(nèi)，隨著作用時(shí)間增加，青梅酒的感官評(píng)價(jià)逐漸升高，作用時(shí)間2 h后感官評(píng)分逐漸降低。這是因?yàn)槌跗趯?duì)氰化物進(jìn)行吸附時(shí)，酒的口感有所改善，香味更加突出，故感官評(píng)分升高。隨著作用時(shí)間的推移，活性炭對(duì)氰化物吸附的同時(shí)對(duì)酒中其他風(fēng)味物質(zhì)也進(jìn)行吸附，影響酒的風(fēng)味。因此，粉末活性炭的作用時(shí)間2 h為宜。

圖2 作用時(shí)間對(duì)青梅酒中氰化物含量和感官評(píng)價(jià)的影響Fig.2 Effect of action time on cyanide content and sensory evaluation of green plum wine

2.1.3 不同作用溫度對(duì)青梅酒中氰化物含量的影響

由圖3可知，隨著粉末活性炭作用溫度的升高，青梅酒中氰化物的含量逐漸降低。在45～50 ℃范圍內(nèi)，隨著作用溫度的升高，青梅酒的感官評(píng)價(jià)逐漸升高，作用溫度50 ℃后感官評(píng)價(jià)逐漸降低。這是因?yàn)榈蜏貙?duì)氰化物和酒中風(fēng)味物質(zhì)的吸附作用有限，隨著氰化物被吸附，酒的口感協(xié)調(diào)，故感官評(píng)分升高。隨著溫度升高活性炭對(duì)氰化物和風(fēng)味物質(zhì)的吸附效果增加，酒精部分揮發(fā)，酒中酸度增加，導(dǎo)致酒的感官評(píng)分降低。因此，粉末活性炭的作用溫度50 ℃為宜。

圖3 作用溫度對(duì)青梅酒中氰化物含量和感官評(píng)價(jià)的影響Fig.3 Effect of action temperature on cyanide content and sensory evaluation of green plum wine

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)確定青梅酒氰化物降低的工藝

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

綜合單因素試驗(yàn)結(jié)果，隨著粉末活性炭使用量的增加、作用時(shí)間的延長(zhǎng)和作用溫度的升高，氰化物的含量逐漸降低，青梅酒的感官評(píng)分也有所變化。為了在降低青梅酒氰化物含量的同時(shí)保證良好的風(fēng)味口感，以粉末活性炭使用量（A）、作用時(shí)間（B）和作用溫度（C）為響應(yīng)因子，以感官評(píng)價(jià)（Y）為響應(yīng)值進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用3因素3水平響應(yīng)面分析試驗(yàn)優(yōu)化，其響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 青梅酒氰化物含量降低工藝優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 3 Design and results of response surface tests for technology optimization for the reduction of cyanide contents in green plum wine

續(xù)表

采用Design-Expert 8.0.6分析軟件對(duì)響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合分析，得到青梅酒感官評(píng)價(jià)與各個(gè)因子之間的多元二次響應(yīng)面回歸模型方程：

2.2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)方差分析

青梅酒氰化物含量降低工藝優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)的方差分析結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 回歸模型方差分析Table 4 Variance analysis of regression model

由表4可知，本試驗(yàn)建立的二次回歸方程模型P=0.0001，極顯著，失擬項(xiàng)P值=0.614 7＞0.05，不顯著，說(shuō)明回歸方程與試驗(yàn)擬合程度好[17]。根據(jù)F值的大小，分析各因素對(duì)青梅酒感官評(píng)價(jià)的影響。其中A、B、C、A2、B2和C2對(duì)青梅酒感官評(píng)價(jià)的影響極顯著（P＜0.01），交互項(xiàng)AB、AC和BC對(duì)青梅酒感官評(píng)價(jià)的影響不顯著（P＞0.05）；各因子對(duì)青梅酒感官評(píng)價(jià)的影響程度依次為：粉末活性炭添加量（A）＞作用溫度（C）＞作用時(shí)間（B）。

青梅酒氰化物降低工藝響應(yīng)面試驗(yàn)中，變異系數(shù)（coefficient of variation，CV）為1.11%，模型的決定系數(shù)R2=0.971 2，調(diào)整決定系數(shù)R2Adj=0.934 2，說(shuō)明該模型擬合程度高，預(yù)測(cè)值能較好反映真實(shí)情況[18]。因此，可以用此模型對(duì)降低青梅酒中氰化物含量的工藝進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

2.2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)各因子交互作用

青梅酒氰化降低工藝響應(yīng)面各因素交互作用關(guān)系的響應(yīng)面及等高線如圖4所示。等高線呈橢圓形表示兩因素交互作用顯著，等高線形狀為圓形表示兩因素交互作用可忽略[19]。由圖4可知，感官評(píng)分隨著粉末活性炭添加量、作用時(shí)間和作用溫度的變化趨勢(shì)線越陡，表示兩因素交互作用顯著，如趨勢(shì)線越平緩，表示兩因素交互作用越不顯著[20]。結(jié)果表明，對(duì)響應(yīng)值而言，活性炭添加量和作用時(shí)間、活性炭添加量和作用溫度以及作用時(shí)間和作用溫度之間的交互作用不顯著（P＞0.05）。

圖4 各因素交互作用對(duì)青梅酒感官評(píng)分影響的響應(yīng)曲面及等高線Fig.4 Response surface plots and contour lines of effects of interaction between each factor on sensory evaluation score of green plum wine

2.2.4 最佳工藝條件的確定

利用Design Export 8.0.6軟件對(duì)青梅酒氰化物降低工藝的數(shù)據(jù)處理與分析，最終確定降低青梅酒氰化物的最佳工藝為：粉末活性炭添加量6.34 g/100 mL，作用時(shí)間1.79 h，作用溫度53.93 ℃，該條件下感官評(píng)分理論值可達(dá)到92.1分。在實(shí)際操作過(guò)程中，按照粉末活性炭添加量6.5 g/100 mL，作用時(shí)間1.8 h，作用溫度55 ℃的條件進(jìn)行3次平行驗(yàn)證試驗(yàn)，測(cè)定氰化物的平均含量為6.84 mg/L，比最初的29.06 mg/L降低了76.46%，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 2757—2012《蒸餾酒及其配制酒》要求；測(cè)定其感官評(píng)分實(shí)際值為90.8分，與預(yù)測(cè)值的誤差為1.41%，預(yù)測(cè)值與實(shí)際值接近，說(shuō)明響應(yīng)面得到的最佳工藝參數(shù)可靠。

3 結(jié)論

為了進(jìn)一步降低青梅酒中氰化物的含量，給消費(fèi)者提供安全健康的產(chǎn)品，本試驗(yàn)采用對(duì)青梅酒中氰化物處理效果較好的吸附劑進(jìn)行了深度生產(chǎn)工藝技術(shù)研究，試驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)獲得了粉末活性炭降低青梅酒中氰化物含量的最佳工藝技術(shù)條件，即粉末活性炭添加量為6.5 g/100 mL、作用時(shí)間為1.8 h，作用溫度為55 ℃。在此優(yōu)化條件氰化物含量為6.84 mg/L，比最初的29.06 mg/L降低了76.46%，其感官平均分為90.8分，既保證了青梅酒中氰化物含量滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 2757—2012《蒸餾酒及其配制酒》，又保存了其風(fēng)味與品質(zhì)。