活性炭對老陳醋催陳澄清作用的研究

夏瑤瑤，麻金花，閆裕峰，田 莉*，武耀文，郎繁繁，梁 楷，周景麗，張朝敏，郝靜鳳，張旭姣，楊文飛，趙彥淳

（1.山西紫林醋業(yè)股份有限公司，山西 太原 030040；2.山西省食品工業(yè)研究所，山西 太原 030024）

食醋是日常生活中必不可少的調味料。山西老陳醋以高粱、麩皮為主要原料，大曲為糖化發(fā)酵劑，經(jīng)酒精發(fā)酵后，再經(jīng)高溫固態(tài)醋酸發(fā)酵、熏醅、淋醋、陳釀等工序釀制而成。新釀的老陳醋有刺激味、口感欠柔和、香氣欠濃郁[1]；同時由于老陳醋具有豐富的營養(yǎng)物質，導致其在貯存的過程中蛋白質、還原糖、鐵和單寧等物質會逐步凝聚，使老陳醋失光、渾濁甚至產(chǎn)生沉淀，嚴重影響老陳醋的感官指標[2-3]。為了提高老陳醋的風味，協(xié)調老陳醋味道，使醋液澄清，必須對新釀的老陳醋進行陳釀和澄清處理。

一般老陳醋陳釀與澄清的技術是分開實施的。老陳醋陳釀的方法有自然陳釀法與人工催陳法。自然陳釀可實現(xiàn)老陳醋色澤、香氣、滋味及體態(tài)的形成，但條件不易控制、生產(chǎn)周期長[4]；在人工催陳方面，臭氧、太陽能、超聲波等經(jīng)研究可催陳老陳醋，從而縮短陳釀時間、改善陳釀環(huán)境，但各法均存在一定的局限性，難以實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)[5-7]。國內外對老陳醋澄清的研究主要涉及以下幾方面：一是選擇不同的澄清劑（如殼聚糖、膨潤土及復合澄清劑等），該法澄清速度快、成本低，但需控制用量以防止老陳醋風味的改變；二是膜過濾技術，該技術操作簡單、可保持老陳醋原有的風味與營養(yǎng)成分，但存在膜清洗再生困難、成本較高等問題；三是酶技術澄清法，酶法澄清可增加老陳醋的營養(yǎng)，但酶活性易受外界條件影響[8-11]。

活性炭是一種多孔材料，其內部孔隙結構發(fā)達，具有比表面積大、吸附能力強的特點。活性炭可選擇性地吸附分子質量大、極性較強以及引起渾濁的物質，一般邪雜味物質大都極性較強，而呈香呈味的物質分子質量小、極性較弱，因此活性炭對醋液中的雜味及渾濁物有較強的吸附力；活性炭中含有氫、氧、氮、金屬氧化物及微量金屬元素，故活性炭還有催化的作用，可加快陳化過程中的酯化反應、縮合反應、氧化還原反應等的進行，從而縮短陳釀時間；同時活性炭性質穩(wěn)定，無毒無味，綠色環(huán)保[12-16]。因此為了改善新釀的老陳醋的風味，使醋液澄清，可將活性炭應用于老陳醋的催陳澄清中，以保障老陳醋的品質。目前活性炭一般用于催陳白酒，對老陳醋的催陳作用研究較少；關于活性炭對老陳醋的澄清作用已有一定的研究，但并不全面，澄清處理工藝也不成熟。因此本試驗以活性炭處理老陳醋，實現(xiàn)了催陳與澄清的雙重作用，同時經(jīng)響應面法試驗確定最優(yōu)的催陳澄清條件，以期為老陳醋的人工催陳及渾濁物的處理提供一定的技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

老陳醋：山西紫林醋業(yè)股份有限公司；YL-303 02-3活性炭（A）：南平元力活性炭有限公司；JT-201“汪洋”酒類專用活性炭（B）：重慶飛洋活性炭制造有限公司；YMT-992C酒類專用活性炭（C）：臨沂蒙潔爾活性炭有限責任公司；葡萄糖、硫酸銅、酒石酸鉀鈉、氫氧化鈉：天津歐博凱化工有限公司；鐵氰化鉀：天津市光復精細化工研究所。所用試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

TU-1810紫外可見分光光度計：北京普析通用儀器有限責任公司；WGZ-800濁度計：上海昕瑞儀器儀表有限公司；AXTGL 16M醫(yī)用離心機：鹽城市安信實驗儀器有限公司；78-1型磁力電熱攪拌器：江蘇榮華儀器制造有限公司；AR124CN電子天平：奧豪斯儀器有限公司；202型電熱恒溫干燥箱：天津泰斯特儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 活性炭的篩選

取50 mL老陳醋，分別添加老陳醋質量1‰的三種活性炭，攪拌均勻后在20℃條件下處理4 h，將處理后的老陳醋5 000 r/min離心10 min，取上清液，進行相關指標的測定與比較，選取對老陳醋進行催陳澄清處理的最適活性炭。

1.3.2 單因素試驗

活性炭用量對老陳醋催陳澄清效果的影響：取50 mL老陳醋，分別添加老陳醋質量0、0.2‰、0.4‰、0.8‰、1.0‰、1.2‰的活性炭，攪拌均勻后20℃處理4 h，將處理后的老陳醋5 000 r/min離心10 min，取上清液，進行指標測定，確定活性炭的最佳使用量。

澄清時間對老陳醋催陳澄清效果的影響：取50 mL老陳醋，按上述試驗確定的最適用量添加活性炭，攪拌均勻后20 ℃分別處理0、1 h、2 h、4 h、6 h、8 h，將老陳醋5 000 r/min離心10min，取上清液，進行指標測定，確定最佳的澄清時間。

澄清溫度對老陳醋催陳澄清效果的影響：取50 mL老陳醋，按上述試驗確定的最適用量添加活性炭，攪拌均勻后分別于20℃、30℃、40℃、50℃、60℃條件下處理上述試驗得出的最佳澄清時間，將老陳醋5 000 r/min離心10 min，取上清液，進行指標測定，確定最佳的澄清溫度。

1.3.3 響應面法優(yōu)化試驗

在單因素試驗的基礎上，根據(jù)Box-Behnken中心組合設計原理，選取活性炭用量（X1）、澄清時間（X2）、澄清溫度（X3）3個因素作為響應面法的考察因素，以老陳醋的總酯含量（Y1）及透光率（Y2）作為響應值，采用Design-Expert8.0.6軟件，設計3因素3水平17個試驗點的響應面分析試驗，其編碼因素與水平見表1。

表1 Box-Behnken試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of Box-Behnken experiments

1.3.4 測定方法

透光率：用分光光度計在波長970 nm處測定。

濁度：濁度計測定。

總酯、可溶性總固形物、總酸、還原糖、氨基酸態(tài)氮、不揮發(fā)酸、感官評價：按GB/T 19777—2013《地理標志產(chǎn)品山西老陳醋》[17]中的方法進行測定。

2 結果與分析

2.1 活性炭的篩選

表2 不同的活性炭對老陳醋各項指標的影響Table 2 Effect of different activated carbon on the various indexes in aged vinegar

由表2可知，3種活性炭對老陳醋催陳澄清的效果不同，處理后的老陳醋可溶性固形物、還原糖與氨基酸態(tài)氮含量沒有顯著性差異；活性炭A處理后總酯最高，即活性炭的催化作用促進了酯化反應的進行；透光率與濁度均反映老陳醋的澄清度，3種活性炭處理后老陳醋的透光率大小順序為B＞A＞C，濁度為C＞A＞B，即活性炭B對老陳醋的澄清效果最好；活性炭A處理后的老陳醋總酸含量為5.71 g/100 mL，顯著高于經(jīng)活性炭B、C處理后老陳醋的總酸（P＜0.05），即活性炭B、C可能會吸附老陳醋中的部分有機酸，對總酸影響較大；活性炭A處理后不揮發(fā)酸也最高，故活性炭A的催陳效果最好；感官評價可知，老陳醋經(jīng)3種活性炭處理后體態(tài)均一、清亮、口感柔綿、無雜味。由于活性炭A對老陳醋的酸值影響小且催陳效果最好，澄清效果略低于活性炭B，因此選取活性炭A即南平元力活性炭有限公司的YL-30302-3活性炭進行老陳醋的催陳澄清試驗。

2.2 單因素試驗結果

2.2.1 活性炭用量對老陳醋催陳澄清效果的影響

由表3可知，活性炭用量對總酸、氨基酸態(tài)氮含量沒有顯著性影響（P＞0.05）；總酯含量隨活性炭用量的增加呈先增大后減小的趨勢，當活性炭用量為1.0‰時總酯含量最高，為3.53 g/100 mL；透光率隨活性炭用量的增加而增加，在活性炭用量為1.0‰時達最大值，繼續(xù)增加用量透光率不會持續(xù)增加；濁度隨活性炭用量的增加反而減小，在活性炭用量為1.0‰時達最小值，這是由于活性炭能夠吸附老陳醋中的渾濁物，當吸附完全后，即達到澄清目的，繼續(xù)增加用量澄清度也不會變化；可溶性固形物及還原糖含量在活性炭用量為1.0‰時均最低，即活性炭促進美拉德等反應的進行，從而消耗了還原糖，故加入活性炭起到了催陳的作用；不揮發(fā)性酸活性炭用量為1.0‰時最高；感官評價可知，老陳醋隨著活性炭用量的增加其體態(tài)變得均一，也逐漸變得清亮，酸味的刺激性減弱，口感變得柔綿，雜味消失，在活性炭用量為1.2‰時感官品質最好，但活性炭用量為1.0‰時老陳醋已經(jīng)香氣純正。綜合考慮理化指標及感官品質，選擇活性炭的最佳用量為1.0‰。

表3 活性炭用量對老陳醋各項指標的影響Table 3 Effect of activated carbon addition on the various indexes in aged vinegar

2.2.2 澄清時間對老陳醋催陳澄清效果的影響結果

表4 澄清時間對老陳醋各項指標的影響Table 4 Effect of clarification time on the various indexes in aged vinegar

由表4可知，澄清時間對老陳醋的總酸、還原糖、氨基酸態(tài)氮含量沒有顯著性影響（P＞0.05）；總酯含量在澄清4h與6 h時最高；透光率隨澄清時間的增加呈增大的趨勢，在4 h時達最大值，濁度隨澄清時間的增加而降低，在4 h時最低，繼續(xù)增加澄清時間濁度保持不變，即處理4h活性炭對醋液中的渾濁物已吸附完全；可溶性總固形物在澄清時間為4 h時最低，故4 h時已達到澄清的效果；不揮發(fā)酸在4 h最高；感官評價可知，老陳醋的感官指標隨澄清時間的變化發(fā)生改變，4 h時醋液體態(tài)均一、清亮、無雜味，8 h時酯香味出現(xiàn)。綜合考慮理化指標及感官品質，選擇澄清時間為4 h，此時老陳醋的理化指標和感官指標已經(jīng)達到了較好的狀態(tài)。

2.2.3 澄清溫度對老陳醋催陳澄清效果的影響結果

表5 澄清溫度對老陳醋各項指標的影響Table 5 Effect of clarification temperature on the various indexes in aged vinegar

由表5可知，澄清溫度對老陳醋的總酸及氨基酸態(tài)氮含量沒有顯著性影響（P＞0.05）；總酯在30℃時最高，為3.82g/100mL；透光率隨溫度的升高先增加后減小，在30℃時達最大值，為67.59%，濁度隨溫度的升高先降低后增加，在30℃時有最小值，為90.9NTU；可溶性總固形物在30℃最低；溫度越高還原糖含量越低，在60℃時還原糖最低，可能是溫度升高會促進美拉德等反應的進行，從而消耗了還原糖；不揮發(fā)酸在30℃時含量較高，繼續(xù)升高澄清溫度，其含量變化不顯著（P＞0.05）；感官評價可知，老陳醋的感官指標隨溫度的變化發(fā)生明顯的變化，溫度越高醋液越濃稠，清亮程度也下降，醋味逐漸減弱，這是由于溫度越高醋液中的一些物理化學及生物反應加快，導致老陳醋的品質發(fā)生變化。綜合考慮理化指標及感官品質，選擇澄清溫度為30℃。

2.3 響應面優(yōu)化試驗結果

表6 Box-Behnken試驗設計與結果Table 6 Design and results of Box-Behnken experiments

用Design-Expert 8.0.6軟件對表6的結果進行分析，得到總酯（Y1）及透光率（Y2）的二次多項回歸方程：

二次回歸模型（1）的F值為11.48，P=0.0020＜0.01，模型達到了極顯著水平。失擬項P=0.190 3＞0.05，差異不顯著，故試驗無失擬因素存在，可反映實際情況，所選的二次回歸模型是適合的。回歸模型的決定系數(shù)R2=0.9365，R2adj=0.8549，說明模型充分擬合試驗數(shù)據(jù)，模型成立，可用此模型對試驗進行分析和預測。模型的變異系數(shù)為3.06%，說明試驗可靠。根據(jù)回歸方程的方差分析，各因素對老陳醋總酯含量影響的主次順序為：澄清時間＞澄清溫度＞活性炭用量。模型中X22、X32對老陳醋總酯含量的影響達到極顯著水平（P＜0.01）；X2、X3、X2X3對總酯含量的影響達顯著水平（P＜0.05）；X1、X1X2、X1X3、X12對總酯沒有顯著影響（P＞0.05）。模型（2）的F值為21.90，P=0.000 3＜0.01，模型達到了極顯著水平。失擬項P=0.445 2＞0.05，模型是適合的。決定系數(shù)R2=0.965 7，R2adj=0.9216，此模型可對試驗進行分析。變異系數(shù)為1.25%，試驗可靠。各因素對透光率的影響為：活性炭用量＞澄清溫度＞澄清時間。X1、X12、X22、X32對透光率的影響達到極顯著水平（P＜0.01）；X3、X1X2對透光率的影響達顯著水平（P＜0.05）；X2、X1X3、X2X3對透光率沒有顯著影響（P＞0.05）。

用Design-Expert 8.0.6軟件，根據(jù)回歸方程分析，作三維空間的曲面圖，結果分別見圖1和圖2。圖1、圖2反映了活性炭用量、澄清時間、澄清溫度及其之間交互作用對老陳醋的總酯含量及透光率的影響。圖1有最高點，即總酯有最大值，在固定其中兩因素的條件下，總酯隨著各因素的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。圖1的坡度陡峭說明該因素對響應值的影響較大，而坡度平緩對響應值的影響較小，故可得出各因素對總酯含量影響的順序為：澄清時間＞澄清溫度＞活性炭用量，與方差分析結果一致。圖2的響應面圖有最高點，即老陳醋的透光率有最大值，透光率隨各因素的增加先增加后減小。根據(jù)圖2的坡度陡峭程度可得各因素對透光率影響的順序為：活性炭用量＞澄清溫度＞澄清時間，與方差分析結果一致。

表7 響應面試驗結果方差分析Table 7 Variance analysis of response surface experiments results

圖1 活性炭用量、澄清時間、澄清溫度交互作用對老陳醋總酯含量影響的響應曲面與等高線Fig.1 Response surface plots and contour line of effects of interaction between activated carbon addition,clarification time and temperature on total ester contents of aged vinegar

圖2 活性炭用量、澄清時間、澄清溫度交互作用對老陳醋透光率影響的響應曲面與等高線Fig.2 Response surface plots and contour line of effects of interaction between activated carbon addition,clarification time and temperature on light transmittance

通過響應面優(yōu)化試驗得到老陳醋催陳澄清的最佳工藝條件為：活性炭用量為1.06‰，澄清時間4.16 h，澄清溫度28.70℃，在此條件下，老陳醋的總酯含量為3.90 g/100 mL，透光率為69.99%。考慮到實際操作的可行性，將工藝修正為活性炭用量1‰，澄清時間4.2 h，澄清溫度29℃。采用修正后的條件進行3次重復試驗，測得總酯的平均值為3.86g/100mL，透光率為69.80%，基本與預測值一致，因此，采用響應面法得到催陳澄清老陳醋的最佳工藝條件可進行實際的操作。

3 結論

本研究使用活性炭處理老陳醋，在單因素試驗的基礎上，使用響應面法優(yōu)化了老陳醋催陳澄清的條件，得出最佳的工藝參數(shù)為活性炭用量1‰，澄清時間4.2 h，澄清溫度29℃，處理后老陳醋的總酯含量為3.86 g/100 mL，透光率為69.80%，醋液體態(tài)均一、清亮、口感綿柔、香氣純正。因此使用活性炭對老陳醋進行催陳澄清處理，可縮短陳釀的時間，同時有效去除了老陳醋中的渾濁物，提高了老陳醋的品質。

參考文獻：

[1]張祥龍.山西老陳醋沉淀物組成及其形成規(guī)律的分析[D].天津：天津科技大學，2017.

[2]夏 婷，姚佳慧，鄭 宇，等.傳統(tǒng)食醋的抗氧化成分及功能研究進展[J].食品科學，2017，38（13）：285-290.

[3]沈美琴，鄭林偉，劉金龍，等.食醋澄清效果評價與測定方法的研究[J].理化檢驗（化學分冊），2014，50（6）：772-774.

[4]黃文韜.溫度、超聲波、微波對食醋陳化的影響[D].太谷：山西農業(yè)大學，2013.

[5]黃 婷.香醋人工催陳技術研究[D].吉首：吉首大學，2012.

[6]吳遠遠.老陳醋品質分析方法與實時檢測裝置研究[D].太原：中北大學，2017.

[7]嵇 港.基于電子鼻系統(tǒng)的食醋分類研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學，2017.

[8]李 藝.山西老陳醋指紋圖譜及功能成分研究[D].太原：山西大學，2017.

[9]葉 崢.山西老陳醋噴霧干燥工藝及品質研究[D].太原：山西大學，2017.

[10]李軍慶，李 歷，王文奇，等.膜分離技術在食醋澄清中的應用[J].中國釀造，2012，31（11）：142-146.

[11]LOPEZF,PESCADORP,GUELL C,et al.Industrial vinegar clarification by cross-flow microfiltration：effect on colour and polyphenol content[J].J Food Eng,2005,68(1)：133-136.

[12]胡 莉，魯 珍，李 偉.酒用活性炭對糧食白酒的催熟[J].釀酒，2017，44（2）：99-101.

[13]付曉敏，嚴 靜，楊孝容，等.活性炭脫色對食醋總酸量的影響[J].化學教育，2014，35（17）：49-51.

[14]沈慶春，余 玲，吳春燕，等.活性炭的應用[J].釀酒，2005（3）：29-30.

[15]RIVERA-UTRILLA J,FERRO-GARCI?A M A,BAUTISTA-TOLEDO I,et al.Regeneration of ortho-chlorophenol-exhausted activated carbons with liquid water at high pressureand temperature[J].Water Res,2003,37(8)：1905.

[16]王天舒，劉景海，段莉梅.活性炭的改性、回收、再生及應用的研究進展[J].內蒙古民族大學學報：自然科學版，2014，29（3）：258-260.

[17]中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 19777—2013地理標志產(chǎn)品山西老陳醋[S].北京：中國標準出版社，2013.