異構酒花浸膏中異α-酸氫化工藝優化*

贠建民，董延虎，蒲陸梅，薛華麗，連文綺

1(甘肅農業大學食品科學與工程學院，甘肅蘭州，730070);2(甘肅農業大學理學院，甘肅蘭州，730070)

異構酒花浸膏中異α-酸氫化工藝優化*

贠建民1，董延虎1，蒲陸梅2，薛華麗2，連文綺1

1(甘肅農業大學食品科學與工程學院，甘肅蘭州，730070);2(甘肅農業大學理學院，甘肅蘭州，730070)

采用單因素篩選試驗考察了氫化溫度、pH值、氫氣壓力、氫化時間、催化劑用量、浸膏中異α-酸濃度對異α-酸氫化的影響。再利用Plackett-Burman設計研究了各因素對異α-酸氫化的影響。結果表明，底物異α-酸濃度、氫氣壓力和pH對異α-酸酒花浸膏氫化效果影響顯著;在此基礎上，采用L9(34)正交設計法對影響異α-酸酒花浸膏氫化的3個主要因素異α-酸濃度、氫氣壓力、pH進行了參數優化試驗。結果表明，影響異α-酸酒花浸膏氫化的主次因素順序為異α-酸濃度＞氫氣壓力＞pH值，異α-酸氫化的最佳工藝參數為:異α-酸的濃度55mg/mL，氫氣壓力0.2 MPa，pH值10，催化劑Pb/C用量3%，氫化時間4h。浸膏中四氫異α-酸的濃度達到58.89%，異α-酸氫化轉化率達到89.73%。

氫化工藝，四氫異α-酸，異構酒花浸膏

啤酒花被譽為“啤酒之靈魂”，是啤酒釀造中必不可缺少的原料之一［1］。α-酸作為啤酒花中具有苦味和抑菌作用的主要物質，在光、熱、堿的作用下極易改變其結構，如側鏈氧化、側鏈斷裂、六碳環改變為五碳環等。在加熱或弱堿中異構化生成黃色油狀的異α-酸其衍生物［2］，使其苦味和抑菌作用增強。而異α-酸對光亦不穩定，尤其是在光波長350～500 nm內的紫外線的催化作用下，使其底部側鏈容易裂解，并很快與啤酒中的含硫化合物生成所謂的“日光臭”物質(3-甲基-2-丁烯-1-硫醇)，會引起啤酒產生不快的異味［1-2］，嚴重影響啤酒質量［3］。近年來隨著啤酒品種的開發，一些傳統的酒花制品嚴重地影響了啤酒的質量，如白瓶啤酒的“日光臭“問題，高濃度啤酒稀釋后的泡沫問題。但隨著酒花制品的開發，這些問題也必將得到很好的解決，新品四氫異構酒花浸膏的出現對啤酒質量的提高起到了明顯改善的作用。而白色瓶裝啤酒由于瓶體透明、色澤清亮、酒液金黃，給人以清新、爽快的感覺，深受人們的青睞［4］。因而越來越多的啤酒生產企業也開始關注四氫異構酒花浸膏制品。四氫啤酒花浸膏(簡稱Tetrahop)是在異構酒花浸膏的基礎上進一步加氫制成的還原酒花浸膏，具有良好的光穩定性、純正的苦味及口感，能明顯改善啤酒泡沫的掛杯性能和泡沫穩定性［5］。

美國和德國發展還原酒花浸膏技術較早，20世紀70、80年代就開始氫化工藝的研究和還原浸膏產品的開發。Henry等在制備還原酒花浸膏的專利中提到，氫化的 pH 值為9，反應溫度是80～100℃［6］。Patrick等通過氫化異α-酸的金屬鹽制備四氫異α-酸專利中，進一步采用了純化技術和Pd/C催化劑優化工藝［7］。現已開發的哈斯、米勒等還原酒花浸膏倍受國內外啤酒生產廠家的喜愛，由于國外同類產品大多以專利形式對產權進行了保護，這在一定程度上限制了氫化浸膏產品在世界范圍，尤其是在發展中國家的生產和使用。國內王少君等對四氫異α-酸的合成進行了初步研究，用氫氧化鉀調pH值，催化劑為Pd/C［8］。羅介人等對酒花中α-酸進行了初步加氫試驗，氫化壓力0.5 MPa，氫化時間6h［9］。新疆大學化學系劉奎鈁等及其研究室研發的"由酒花浸膏為原料制備四氫異a-酸的方法"，獲得國家專利，改變了過去中國“白瓶啤酒”生產技術一直依賴進口的現狀。2007年甘肅玉門拓璞科技開發有限公司的劉啟民等，在發明的專利“一種生產四氫異構化α-酸的方法”基礎上，開發的“拓璞”牌浸膏，將酒花保質期從短短的幾個月延長到8～10年，該產品已超越了啤酒花的定義，上升到一種“品牌”的高度。

綜上所述，國內雖然對酒花異α-酸氫化工藝有所研究，也已有幾家酒花浸膏加工企業生產還原酒花浸膏產品，但與國外進口產品相比，工藝穩定性還較低，高濃度氫化浸膏的溶解性能還較差。為此，本試驗從工藝優化角度出發，較系統地研究氫化溫度、pH值、氫氣壓力、氫化時間、催化劑用量、異α-酸濃度對酒花浸膏中異α-酸氫化效果的影響，旨在探索出以異構酒花浸膏為中間原料制備四氫異構浸膏制品過程中異α-酸氫化工藝的最佳參數，為酒花加工企業開發生產四氫異α-酸浸膏產品提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 主要材料與試劑

青島大花異構酒花浸膏:用甘肅玉門拓璞科技開發有限公司的壓縮酒花經提取異構化自制制備方法:先采用超臨界CO2萃取制成酒花浸膏，經酸堿沉淀初步分離得α-酸結晶物［2］再經常壓煮沸法異構化工藝制得異構酒花浸膏［3］(含異 α-酸42.42%)。

無水乙醇(AR)，NaOH(AR)，均為天津化學試劑廠家生產;5%Pd/C催化劑，陜西開達化工有限責任公司;H2(≥99.9%)市售。

1.2 主要儀器與設備

UV-2550型紫外光分光光度計，日本島津;FF-2釜式反應裝置，天津大學北方化工新技術開發公司;RE-52AA旋轉蒸發器，上海亞榮生化儀器廠;PHS-3C型電子pH計，上海日島科學儀器公司;SHZ-D(Ⅲ)循環水式真空泵，鞏義市予華儀器有限責任公司;AL104型電子天平，梅特勒-托利多儀器公司;HHS型電熱恒溫水浴鍋，上海博迅實業公司醫療設備廠。

1.3 試驗方法

1.3.1 異α-酸氫化工藝

根據每組試驗要求的溶液中α-酸的濃度，用電子天平稱取相應質量(5～40g)的異構α-酸浸膏，放入250 mL燒杯中，加入Pb/C催化劑，倒入100 mL無水乙醇，置40℃水浴下加熱，同時用1 mol/L NaOH溶液調pH，不斷攪拌使浸膏充分溶解，然后轉入1L的高壓反應釜密封好，通入(0.1～0.7 MPa)的N2，在50～80℃維持2～10 h完成反應。氫化結束后，先濾除催化劑，再置旋轉蒸發儀中用循環水式真空泵抽真空蒸出溶劑乙醇得到的膏狀物即為四氫異α-酸浸膏。于40℃的烘箱中將浸膏干燥后，最后用1.3.10的方法，檢測樣品中四氫異α-酸的含量，并計算氫化轉化率。

1.3.2 氫化溫度

氫化溫度依次選擇為 50、60、70、80℃，H2壓力0.1 MPa、異 α-酸濃度20 mg/mL、pH 值9、氫化時間6 h、Pb/C催化劑7%進行試驗，以四氫異α-酸的含量為指標確定最佳的氫化溫度。

1.3.3 pH值

依次設定溶液的 pH 值為8、9、10、11，氫氣壓力0.1 MPa、異 α-酸的濃度20 mg/mL、氫化溫度80℃、氫化時間6 h、Pb/C催化劑7%進行試驗，以四氫異α-酸的含量為指標確定最佳的pH值。

1.3.4 氫氣壓力

依次設定高壓反應釜的壓力為0.1、0.3、0.5、0.7 MPa，異 α-酸的濃度 20 mg/mL、pH9、氫化溫度80℃、氫化時間6h、Pb/C催化劑7%進行試驗，以四氫異α-酸的含量為指標確定最佳的氫氣壓力。

1.3.5 氫化時間

依次設定氫化時間為 2、4、6、8，10h，氫氣壓力0.1 MPa、異 α-酸的濃度 20 mg/mL、pH 值 9、氫化溫度80℃、Pb/C催化劑7%進行試驗，以四氫異α-酸的含量為指標確定最佳的氫化時間。

1.3.6 催化劑的量

依次設定 Pb/C 催化劑的含量為3、5、7、9，11%，氫氣壓力0.1 MPa、異α-酸的濃度20 mg/mL、pH 9、氫化溫度80℃、氫化時間6h進行試驗，以四氫異α-酸的含量為指標確定最佳的Pb/C催化劑的量。

1.3.7 異α-酸濃度

依次設定異 α-酸的濃度為 22.1、44.2、88.4、132.6，176.8mg/mL，H2壓力 0.1 MPa、pH 9、氫化溫度80℃、氫化時間6h進行試驗，以四氫異α-酸的含量為指標確定最佳的異α-酸的濃度。

1.3.8 Plackett-Burman試驗

在單因素實驗的基礎上，對以上影響氫化的5個因素進一步采用Plackett-Burman法進行各因素顯著性的考察，通過標準化效應圖(Pareto圖)選出對氫化具有顯著性影響的因素，從而達到進一步細化篩選因素的目的。

1.3.9 正交試驗

在單因素實驗和Plackett-Burman試驗的基礎上，對影響氫化率的主要因素再進行4因素3水平的正交組合試驗。同樣以四氫異α-酸的含量為指標優化氫化過程最佳的工藝參數。

1.3.10 四氫異 α-酸的測定［11－12］

準確稱取0.4 g樣品于100 mL容量瓶中，加入約50 mL甲醇，混勻并溶解，然后用甲醇定容，混勻后標記“溶液A”。吸取溶液A 2.0 mL至100 mL容量瓶中，加入約75 mL甲醇，加入1 mL 1.5 mol/L NaOH溶液，然后用甲醇定容至刻度，搖勻后標記“溶液B”。于50 mL容量瓶中加0.5 mL 1.5 mol/L NaOH溶液，用甲醇定容至刻度，搖勻后標記“空白”。然后在253 nm下測定“溶液B”的吸光度值，代入公式計算四氫異α-酸的百分含量和氫化轉化率。

溶液B中的樣品濃度(cs)計算:cs(g/mL)=樣品質量(g)/溶液A體積(mL)×吸取溶液A體積(mL)/溶液B體積(mL);

異構酒花酸濃度計算:cacid/(g·mL－1)=A/ε;

酒花制品中酒花酸含量(W/W)=cacid/cs;

氫化轉化率/%=新生成的四氫異α-酸含量/原浸膏中的異α-酸含量×100

2 結果與分析

2.1 氫化溫度對酒花浸膏中四氫異α-酸含量的影響

圖1所示結果為氫化溫度對四氫異α-酸含量的影響。隨著溫度逐漸增加，四氫異α-酸的含量也在增加，在80℃時達到最大值，浸膏中四氫異α-酸的含量為50.56%。由于常壓狀態下無水乙醇沸點為78.2℃致使反應體系的沸點不易高于80℃，過高溫度將使反應體系中乙醇氣化，溶液濃度發生改變對反應設備造成傷害。所以試驗中氫化溫度就選為定值80℃。

圖1 氫化溫度對四氫異α-酸含量的影響

2.2 pH值對酒花浸膏中四氫異α-酸含量的影響

圖2所示結果為不同pH值對四氫異α-酸含量的影響。隨著pH值逐漸增加，四氫異α-酸的含量先升高后下降，在pH 10時達到峰值，浸膏中四氫異α-酸的含量達到53.62%;pH 10以上氫化轉化率迅速下降，到pH 11時四氫異α-酸的含量僅為46.2%。說明氫化過程pH值不易太低也不易太高，弱堿性為宜。

2.3 氫氣壓力對酒花浸膏中四氫異α-酸含量的影響

圖3所示結果為不同氫氣壓力對四氫異α-酸含量的影響。隨著氫氣壓力從0.1 MPa增加到0.3 MPa，四氫異α-酸的含量略微增加，并且在氫氣壓力為0.3 MPa時達到峰值，浸膏中四氫異α-酸的含量為51.31%，氫氣壓力0.3 MPa以上氫化轉化率迅速下降，說明氫化過程氫氣壓力不易太高。

圖2 pH對四氫異α-酸含量的影響

圖3 氫氣壓力對四氫異α-酸含量的影響

2.4 氫化時間對酒花浸膏中四氫異α-酸含量的影響

圖4所示結果為不同的氫化時間對四氫異α-酸含量的影響。從圖4中可以看出隨著加熱時間的延長四氫異α-酸的含量逐漸增加，并且在4h時達到峰值，酒花浸膏中異α-酸氫化轉化率為51.19%，4h后氫化轉化率緩慢下降，到10h時四氫異α-酸的含量為47.81%。可見不同的氫化時間對四氫異α-酸含量的影響差別不大。

圖4 氫化時間對四氫異a-酸含量的影響

2.5 催化劑的量對酒花浸膏中四氫異α-酸含量的影響

圖5所示結果為不同催化劑的量對四氫異α-酸含量的影響。隨著催化劑量的增加四氫異α-酸的含量先逐漸增加再緩慢下降，并且在催化劑的量5%時達到峰值，酒花浸膏中異 α-酸氫化轉化率為51.33%，到催化劑的量增加到11%時四氫異α-酸的含量為48.33%。可見不同的催化劑添加量對四氫異α-酸含量的影響差別不大。

圖5 催化劑的量對四氫異α-酸含量的影響

2.6 異α-酸濃度對酒花浸膏中四氫異α-酸含量的影響

圖6所示結果為浸膏中不同異α-酸濃度對四氫異α-酸含量的影響。隨著異α-酸濃度逐漸增大氫化轉化率先增加，濃度在44.2 mg/mL時達到最大值，氫化浸膏中四氫異α-酸含量為50.32%。然后迅速下降，濃度為176.8mg/mL時四氫異α-酸含量僅為46.51%。試驗中發現濃度太大反應體系過于黏稠，并且溶解狀態不好，易造成反應不充分，氫化轉化率反而較低。

圖6 原料濃度對四氫異α-酸含量的影響

2.7 篩選試驗設計-Plackett-Burman法

在單因素試驗的基礎上，對影響氫化的氫氣壓力、異α-酸濃度、pH值、氫化時間、催化劑用量等5個因素進行篩選。每個變量分別設定高(+)和低(-)2個水平，Plackett-Burman試驗設計的因素和水平見表1，Plackett-Burman試驗設計及其結果見表2。

表1 Plackett-Burman試驗因素水平及編碼值

表2 Plackett-Burman試驗設計及其結果(n=5)

采用Minitab15對表2中的試驗數據進行回歸分析，所得的結果見表3。

由表3可知，對四氫異α-酸含量有顯著性影響(置信度大于95%，P＜0.05)的因素有氫氣壓力、異α-酸濃度、pH值，且影響均為正效應，影響程度為:異α-酸濃度＞氫氣壓力＞pH值。其余2個因素對四氫異α-酸含量的影響不顯著均為負效應，在后續試驗中取低水平的點進行后續試驗。

表3 Plackett-Burman試驗設計結果分析

2.8 正交試驗設計結果

經以上單因素和Plackett-Burman篩選試驗后對四氫異α-酸含量影響顯著的因素進一步做正交試驗，其中對四氫異α-酸含量影響不顯著的因素氫化時間，為了使反應更充分選用4h，考慮到Pb/C催化劑價格昂貴，催化劑用量選擇3%。選定異α-酸濃度、氫氣壓力、pH值3個因素設計4因素3水平的L9(34)正交試驗(表4)，篩選最佳的氫化工藝參數。正交試驗結果見表5。

表4 因素水平表

表5 正交試驗結果

應用SPSS16.0統計軟件對表5進行方差分析， 結果見表6。

表6 方差分析結果

由表5可知，試驗2組合的四氫異α-酸含量最高為57.81%。各處理組合極差之間的關系為RA＞RB＞RC＞RD。即:主次因素順序:異α-酸的濃度＞氫氣壓力＞pH值。并得出α-酸的氫化最優條件組合為A1B3C2。即氫化的最優條件組合為異α-酸的濃度55 mg/mL，氫氣壓力 0.2 MPa，pH 10。

由表6方差分析可以看出，影響異α-酸氫化的因素 FA＞F0.01(2，9)=8.02，A 因素為極顯著;FB＞FC＞F0.05(2，9)=4.26，B、C 因素為顯著;而空列 D 的 FD＜F0.05(2，9)，空列D為不顯著，即誤差不顯著。并且有FA＞FB＞FC，與Plackett-Burman試驗得出的影響程度和篩選出的最佳工藝條件一致。

3 結論

(1)基于Plackett-Burman篩選試驗表明，在供試的5個因素(pH值、氫氣壓力、氫化時間、催化劑用量、異α-酸濃度)中，對異構浸膏中異α-酸氫化轉化率及產品中四氫異α-酸含量有顯著性影響的有3個因素:氫化壓力、底物浸膏的異α-酸濃度和pH值，且影響均為正效應，影響程度為:異α-酸濃度＞氫氣壓力＞pH值。其余2個因素(氫化時間、催化劑用量)對四氫異α-酸含量的影響不顯著，且均為負效應，在試驗中只要達到一定取值，取低水平的點即可滿足氫化要求，催化劑Pb/C用量3%，氫化時間4h。

(2)正交設計試驗表明，影響異α-酸氫化效果的因素順序為:異α-酸的濃度＞氫氣壓力＞pH;綜合得出，在氫化溫度80℃，催化劑Pb/C用量3%，氫化時間4h條件下，異構浸膏中異α-酸氫化的最佳工藝參數為:異 α-酸的濃度 55 mg/mL，H2壓力 0.2MPa，pH10。氫化浸膏產品中四氫異 α-酸含量可達到58.89%，異α-酸氫化轉化率達到89.73%。

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Technology Optimization on Hydrogenation of Isomerized α-Acids in Isomerized Hops Extracts

Yun Jian-min1，Dong Yan-hu1，Pu Lu-mei2，Xue Hua-li2，Lian Wen-qi1
1(College of Food Science and Engineering，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China)
2(College of Science ，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China)

The factors influencing the hydrogenation of isomerized α-acid were inspected by using the single factor screening experiment，including hydrogenation temperature，pH，hydrogen pressure，hydrogenation time，the catalyst amount and the concentration of isomerized a-acid in hops extracts．Plackett-Burman design was employed to evaluate the effects of the 5 factors mentioned above on hydrogenation of iso-α-acid．It showed that concentration of isomerized a-acid，hydrogen pressure and pH were the three most important factors．On the basis of that，the technological parameter of hydrogenation of isomerized α-acids was optimized by adopting the orthogonal design L9(34)．The results showed that the order of affecting hydrogenation of iso-α-acid was the concentration of iso-α-acid ＞ hydrogen pressure＞pH，and the optimum technological parameter of hydrogenation was respectively the concentration of iso-αacid 55mg/mL，hydrogen pressure 0.2MPa，pH10，the amount of catalyst 3%．The content of tetrahydro iso-α-acid in hydrogenation extracts was up to 58.89%，and the hydrogenation percent conversion of iso-α-acid was 89.73%．

Hydrogenation technology;Tetrahydro iso-α-acids;Isomerized hops extracts

博士，教授。

*“十一五"國家科技支撐計劃項目(2007BAD52B07)

2011－02－17，改回日期:2011－04－02