山楂蒸餾酒減壓蒸餾工藝優(yōu)化及對(duì)風(fēng)味成分的影響

陳江魁，陳佳碩，郭念慈，仝浩楨，葉 嘉*

（1.邯鄲學(xué)院 生命科學(xué)與工程學(xué)院，河北 邯鄲 056005；2.河北省高校冀南太行山區(qū)野生資源植物應(yīng)用研發(fā)中心，河北 邯鄲 056005）

山楂（Crataegus pinnatifidaBunge）又名山里果、山里紅等，屬薔薇科山楂屬植物的成熟果實(shí)[1]，在我國有較為廣泛的種植。山楂資源非常豐富，為國家衛(wèi)生健康委員會(huì)公布的既是食品又是藥品的物品，作為藥品，山楂含有總黃酮、萜類等活性成分，具有健脾開胃、活血化瘀、預(yù)防心腦血管疾病等功效[2]；作為食品，山楂營養(yǎng)價(jià)值比較豐富，含有多種氨基酸、礦物質(zhì)和維生素。但山楂的酸度較高，山楂酸、酒石酸、檸檬酸等有機(jī)酸含量達(dá)到4.1%～7.3%[3]，直接用于鮮食，口感酸澀。將山楂作為酒的釀造原料，既可以利用其酸類物質(zhì)豐富酒的風(fēng)味，同時(shí)也可通過發(fā)酵加工提升產(chǎn)品附加值，促進(jìn)山楂產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

目前以山楂為原料釀制果酒的研究較多[4-6]，在果酒發(fā)酵的基礎(chǔ)上再經(jīng)蒸餾、勾調(diào)、陳釀等制成的山楂蒸餾酒（白蘭地），其風(fēng)味獨(dú)特，具有典型的風(fēng)格，進(jìn)一步拓展了山楂的深加工途徑。賈文野等[7]采用正交試驗(yàn)方法對(duì)山楂蒸餾酒的釀造工藝進(jìn)行優(yōu)化，并用氣相色譜（gas chromatography，GC）法分析了其風(fēng)味物質(zhì)；周廣麒等[8]采用了超聲波處理方法，提高了山楂蒸餾酒的風(fēng)味物質(zhì)含量。發(fā)酵后的山楂酒風(fēng)味物質(zhì)豐富，在蒸餾過程中怎么更多地富集這些物質(zhì)，是山楂蒸餾酒的重要研究方向。減壓蒸餾技術(shù)是在負(fù)壓的條件下進(jìn)行的蒸餾操作，負(fù)壓條件降低了物質(zhì)的沸點(diǎn)，使得能在較低的溫度下蒸餾出產(chǎn)品，適用于沸點(diǎn)較高的物質(zhì)和在常壓蒸餾時(shí)未達(dá)到沸點(diǎn)就已受熱分解等物質(zhì)的分離和提純[9-10]，將減壓蒸餾技術(shù)應(yīng)用于山楂蒸餾酒，對(duì)提升產(chǎn)品風(fēng)味和保持營養(yǎng)活性有重要作用。本試驗(yàn)對(duì)山楂蒸餾酒的減壓蒸餾工藝進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)比了減壓和常壓工藝條件下山楂蒸餾酒的主要風(fēng)味成分，以期為山楂蒸餾酒的創(chuàng)新提供思路和方法。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

山楂（大金星）：河北涉縣；果酒酵母（SY）：安琪酵母股份有限公司；焦亞硫酸鉀（分析純）：河南天源生物科技有限公司；果膠酶（酶活10萬U/g）：河南萬邦實(shí)業(yè)有限公司；2-辛醇（色譜純）：天津科密歐化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

BioFlo/CelliGen 115型3 L發(fā)酵罐：德國Eppendorf公司；SY-5000旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：上海亞榮生化儀器廠；CL-H電子分析天平：深圳亞津自動(dòng)化設(shè)備有限公司；50/30 μm DVB/Car/PDMS固相微萃取（solid-phase microextraction，SPME）頭、固相微萃取手柄：美國Supelco公司；Clarus 680-Clarus SQ 8T型氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）儀、Elite Wax氣相色譜柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）：美國珀金埃爾默公司。

1.3 方法

1.3.1 山楂蒸餾酒制備工藝流程及操作要點(diǎn)

操作要點(diǎn)：

篩選清洗：選取已成熟無病害的新鮮山楂果，清水浸泡后沖洗干凈；

去核、打漿：用工具去核后切成0.5 cm左右的方塊，加入等質(zhì)量的蒸餾水再用膠體磨打磨成漿；

配料調(diào)漿：打漿后的山楂，加熱至70～80 ℃左右攪拌均勻，待溫度冷卻至50～55 ℃后添加0.1%果膠酶，50 ℃水浴2.5 h。按比例調(diào)節(jié)糖度（20%）和料液比（山楂與水質(zhì)量比為1∶3）；

滅菌：升溫至85 ℃滅菌15 min；

主發(fā)酵：發(fā)酵罐嚴(yán)格滅菌，裝入山楂汁不超過容積的85%，然后接入活化好的酵母（SY）0.1%（與發(fā)酵液的質(zhì)量比），密封發(fā)酵，控制溫度25 ℃發(fā)酵7～9 d。5 d后每天測定發(fā)酵液的殘?zhí)橇浚瑲執(zhí)墙抵?.5 g/L以下可結(jié)束主發(fā)酵；

過濾：使用100目濾網(wǎng)濾出發(fā)酵后的殘?jiān)?/p>

后發(fā)酵：主發(fā)酵后的發(fā)酵液過濾后裝入玻璃罐密封，15 ℃左右貯存30 d；

蒸餾：選擇減壓蒸餾工藝，后發(fā)酵結(jié)束的發(fā)酵液加入減壓蒸餾裝置，控制蒸餾的真空度、時(shí)間和溫度，具體參數(shù)通過試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化。蒸餾完成后，即得山楂蒸餾酒成品。

1.3.2 減壓蒸餾工藝優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)[11-12]

單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)：取500 mL山楂發(fā)酵液裝入減壓蒸餾裝置，以蒸餾溫度75 ℃、真空度0.02 MPa、蒸餾時(shí)間20 min為基礎(chǔ)減壓蒸餾條件，固定其他條件不變，分別改變蒸餾溫度（65 ℃、70 ℃、75 ℃、80 ℃、85 ℃）、真空度（0.01 MPa、0.02 MPa、0.03 MPa、0.04 MPa、0.05 MPa）、蒸餾時(shí)間（10 min、15 min、20 min、25 min、30 min），以蒸餾酒的酒精度、酸酯總量為考察指標(biāo)判斷合適的因素水平范圍。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。

響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)：在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，使用Design-Expert 11.1.0軟件，以山楂蒸餾酒的酒精度（Y1）、酸酯總量（Y2）為響應(yīng)值，以減壓蒸餾工藝的蒸餾溫度、真空度、蒸餾時(shí)間為評(píng)價(jià)因素，設(shè)計(jì)3因素3水平的Box-Benhnken響應(yīng)面試驗(yàn)。

1.3.3 風(fēng)味成分的對(duì)比分析

以優(yōu)化后的減壓蒸餾工藝為試驗(yàn)組，常壓蒸餾工藝為對(duì)照組（蒸餾時(shí)間與減壓蒸餾一致），分析蒸餾酒中主要風(fēng)味成分及對(duì)比兩者成分含量差異。各取500 mL山楂發(fā)酵液，分別置于常壓和減壓蒸餾裝置進(jìn)行蒸餾，蒸餾酒用蒸餾水定容至200 mL。采用頂空固相微萃取-氣質(zhì)聯(lián)用（headspace solidphase microextraction,HS-SPME-GC-MS）法檢測主要成分。

樣品處理[13]：取20 mL蒸餾酒樣于50 mL頂空瓶中，加入NaCl至飽和，插入萃取頭對(duì)揮發(fā)性風(fēng)味成分進(jìn)行萃取，萃取針距液面約1 cm，打開磁力攪拌器，50 ℃吸附平衡25 min。氣相色譜（GC）進(jìn)樣解吸1.5 min。

氣相色譜條件[14-15]：色譜柱選擇Elite Wax柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm），進(jìn)樣口溫度250 ℃，載氣為氦氣（He），流速1.0 mL/min，不分流進(jìn)樣。升溫程序?yàn)槌跏紲囟?0 ℃，2.5 ℃/min升至80 ℃，保持2 min，再以6 ℃/min升至230 ℃保持2 min。

質(zhì)譜條件：離子源溫度240 ℃，電離方式為電子電離（electron ionization，EI）源，電子能量70 eV，掃描質(zhì)量范圍40～450 amu。

定性定量方法[16-17]：將采集到的譜圖與美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（national institute of standards and technology，NIST）譜庫進(jìn)行檢索對(duì)比進(jìn)行定性，樣品中加入10μg2-辛醇作為內(nèi)標(biāo)物進(jìn)行半定量分析。風(fēng)味成分含量計(jì)算公式如下：

式中：X為風(fēng)味成分的質(zhì)量濃度，μg/L；A為測定的風(fēng)味成分峰面積；c0為內(nèi)標(biāo)物質(zhì)量濃度，μg/L；A0為測定的內(nèi)標(biāo)物峰面積。

1.3.4 分析檢測

酒精度：按照GB5009.225—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)酒中乙醇濃度的測定》中的密度瓶法測定。

酸酯總量：按照GB/T 10781.1—2021《白酒質(zhì)量要求第1部分：濃香型白酒》中附錄A酸酯總量的測定方法，蒸餾酒用蒸餾水定容至200 mL。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 蒸餾溫度對(duì)山楂蒸餾酒酒精度和酸酯總量的影響

蒸餾溫度對(duì)山楂蒸餾酒酒精度和酸酯總量的影響見圖1。由圖1可知，山楂蒸餾酒酒精度隨蒸餾溫度的升高呈先上升后下降的趨勢，在蒸餾溫度75 ℃時(shí)酒精度最高，為46.9%vol，這主要是由于溫度的升高使得水分餾出增多[18]。山楂蒸餾酒酸酯總量隨蒸餾溫度升高呈上升趨勢，在蒸餾溫度為75 ℃時(shí)達(dá)到較高值，為43.8 mmol/L，但在蒸餾溫度高于75 ℃后增速非常緩慢，且與蒸餾溫度80 ℃和85 ℃時(shí)酸酯總量差異不顯著（P＞0.05）。因此，選擇75 ℃為最佳蒸餾溫度。

圖1 蒸餾溫度對(duì)山楂蒸餾酒酒精度和酸酯總量的影響Fig.1 Effect of distillation temperature on alcohol content and total acid and ester contents

2.1.2 真空度對(duì)山楂蒸餾酒酒精度和酸酯總量的影響

由圖2可知，山楂蒸餾酒酒精度隨真空度的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在真空度0.02 MPa時(shí)酒精度最高，為46.2%vol，與真空度0.03 MPa時(shí)無顯著性差異（P＞0.05），真空度＞0.03 MPa后酒精度下降較快。這說明過低的真空度使水分蒸餾過快，不利于乙醇的提純，影響了蒸餾效率，而較高的真空度條件下（＞0.03 MPa），蒸餾較為緩慢，不適宜低溫蒸餾。山楂蒸餾酒酸酯總量隨真空度增加呈先穩(wěn)定后下降的趨勢，在真空度為0.02 MPa時(shí)酸酯總量為43.9 mmol/L，真空度＞0.02 MPa后酸酯總量下降。因此，選擇0.02 MPa為最佳真空度值。

圖2 真空度對(duì)山楂蒸餾酒酒精度和酸酯總量的影響Fig.2 Effect of vacuum degree on alcohol content and total acid and ester contents

2.1.3 蒸餾時(shí)間對(duì)山楂蒸餾酒酒精度和酸酯總量的影響

由圖3可知，山楂蒸餾酒酒精度隨蒸餾時(shí)間延長呈先上升后下降的趨勢，在蒸餾時(shí)間20 min時(shí)酒精度最高，為47.1%vol。山楂蒸餾酒酸酯總量隨蒸餾時(shí)間延長呈先上升后趨于平緩的趨勢，在蒸餾時(shí)間20 min時(shí)酸酯總量為44.4 mmol/L，20 min后基本保持穩(wěn)定，說明20 min的時(shí)間內(nèi)，在選定的條件下可餾出的酸和酯基本完成。因此，為防止過多的水分和雜味物質(zhì)進(jìn)入蒸餾酒，選擇20 min為最佳蒸餾時(shí)間。

圖3 蒸餾時(shí)間對(duì)山楂蒸餾酒酒精度和酸酯總量的影響Fig.3 Effect of distillation time on alcohol content and total acid and ester contents

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果與分析

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

根據(jù)表1響應(yīng)面試驗(yàn)測定的結(jié)果，使用DesignExert11.1.0軟件，對(duì)考察的酒精度、酸酯總量兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行擬合分析，得到回歸方程：

表1 山楂蒸餾酒減壓蒸餾工藝優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 1 Design and results of response surface tests for vacuum distillation process optimization of hawthorn distilled liquor

回歸方程的方差分析結(jié)果見表2和表3。由表2、表3可知，酒精度的回歸模型F值為37.61，P值＜0.01，表明回歸模型極顯著；酸酯總量的回歸模型F值為12.25，P值＜0.01，表明回歸模型極顯著。兩個(gè)回歸模型的決定系數(shù)R2分別為98.54%和95.66%，說明變量之間的線性關(guān)系程度較為密切，失擬項(xiàng)的P值分別為0.678 3和0.164 6，均＞0.05，不顯著，說明模型的擬合度良好，能較好地反映實(shí)際情況。

表2 以酒精度為響應(yīng)值回歸模型的方差分析結(jié)果Table 2 Variance analysis results of regression model with alcohol content as response value

表3 以酸酯總量為響應(yīng)值回歸模型的方差分析結(jié)果Table 3 Variance analysis results of regression model with total acid and ester contents as response value

對(duì)比F值大小可以分析試驗(yàn)因素對(duì)考察指標(biāo)的影響程度，F(xiàn)值越大影響越顯著[19]。在以酒精度為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，F(xiàn)（B）=9.53＞F（A）=7.9＞F（C）=7.66，即對(duì)蒸餾酒酒精度影響因素順序?yàn)檎婵斩龋菊麴s溫度＞蒸餾時(shí)間。同理，對(duì)酸酯總量的影響順序?yàn)檎麴s溫度＞真空度＞蒸餾時(shí)間。

分析各因素及交互作用的顯著性表明，3個(gè)因素對(duì)酒精度影響均顯著（P＜0.05），二次項(xiàng)及交互項(xiàng)作用都為極顯著（P＜0.01），這說明對(duì)蒸餾酒酒精度的影響是復(fù)雜的，交互作用影響較大，較高的溫度和真空度意味著乙醇和水餾出增多，但乙醇濃度可能降低，這與郭波等[20]研究減壓對(duì)豉香型白酒、楊生智等[21]研究減壓對(duì)清香型白酒時(shí)結(jié)果相一致。在以酸酯總量為考察指標(biāo)時(shí)，3個(gè)因素及自身二次項(xiàng)對(duì)酸酯總量的影響均顯著，其相互之間的交互作用影響不顯著，表明酸酯總量響應(yīng)值的變化與各因素有一定的正相關(guān)性，這與實(shí)際情況相符，真空度的增加降低了酸和酯的沸點(diǎn)、蒸餾溫度增加了酸和酯的揮發(fā)能力、蒸餾時(shí)間呈現(xiàn)出了累計(jì)的作用。

2.2.2 各因素交互作用的響應(yīng)面分析

3D曲面較為直觀地反映了蒸餾溫度（A）、真空度（B）、蒸餾時(shí)間（C）三個(gè)因素之間的交互作用對(duì)酒精度（Y1）和酸酯總量（Y2）的影響，酒精度和酸酯總量為評(píng)價(jià)指標(biāo)的3D曲面圖分別見圖4和圖5。3D曲面越陡峭、傾斜度越高表明因素間的交互作用對(duì)響應(yīng)值影響越大[22-23]。由圖4可知，3D曲面都比較陡峭，說明兩兩因素對(duì)酒精度響應(yīng)值的交互作用影響顯著；由圖5可知，3D曲面彎曲度較大，表明各因素對(duì)酸酯總量的影響比較大，表明因素之間的交互作用不明顯，對(duì)結(jié)果的影響不顯著。這與表2和表3的數(shù)據(jù)分析結(jié)果相一致。

圖4 各因素間交互作用對(duì)山楂蒸餾酒酒精度影響的響應(yīng)面及等高線Fig.4 Response surface plots and counter lines of interaction between each factor on alcohol content of hawthorn distilled liquor

圖5 各因素間交互作用對(duì)山楂蒸餾酒酸酯總量影響的響應(yīng)面及等高線Fig.5 Response surface plots and counter lines of interaction between each factors on total acid and ester contents of hawthorn distilled liquor

2.2.3 優(yōu)化及驗(yàn)證試驗(yàn)

通過Design-Expert 11.1.0軟件得到減壓蒸餾工藝為蒸餾溫度76.4 ℃、真空度0.019 MPa、蒸餾時(shí)間為19.6 min，在此條件下得到山楂蒸餾酒酒精度和酸酯總量理論值分別為45.74%vol、47.99 mmol/L；為方便實(shí)際操作，選擇蒸餾溫度76 ℃、真空度0.2 MPa、蒸餾時(shí)間20 min為最佳條件，在最佳條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到山楂蒸餾酒酒精度和酸酯總量實(shí)際值分別為（45.8±1.21）%vol和（49.4±2.03）mmol/L，與理論值相近，驗(yàn)證了響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果，說明優(yōu)化后的條件是可靠的。

2.3 主要風(fēng)味成分分析

采用頂空固相微萃取和氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)對(duì)山楂的減壓和常壓工藝蒸餾酒風(fēng)味物質(zhì)含量進(jìn)行分析，選取主要成分進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表4。

表4 主要風(fēng)味成分對(duì)比Table 4 Comparison of main flavor components

由表4可知，減壓蒸餾取得的酒樣與常壓蒸餾，在風(fēng)味物質(zhì)的組成上基本相同，無太大變化。但減壓蒸餾酒在大部分風(fēng)味物質(zhì)，尤其是對(duì)大分子物質(zhì)，其含量與常壓蒸餾具有顯著性差異，明顯高于常壓蒸餾，減壓工藝對(duì)風(fēng)味成分表現(xiàn)出明顯的富集作用。這與趙瑩[25]采用間斷式的減壓蒸餾工藝研究柚子和青梅復(fù)合果酒對(duì)風(fēng)味物質(zhì)的富集相一致。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)以酒精度和酸酯總量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過單因素和響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)山楂蒸餾酒的減壓蒸餾工藝進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳減壓蒸餾條件為蒸餾溫度76 ℃、真空度0.02 MPa、蒸餾時(shí)間20 min。在此最佳條件下，減壓蒸餾的山楂蒸餾酒的酒精度和酸酯總量分別為（45.8±1.21）%vol和（49.4±2.03）mmol/L。使用頂空固相微萃取和氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)對(duì)減壓蒸餾和常壓蒸餾得到的山楂蒸餾酒中主要成分進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明減壓蒸餾方式能較好的富集風(fēng)味成分，在較低的蒸餾溫度下提升酸酯含量。