基于超臨界CO2萃取技術提取釀酒黃水中風味物質

李安軍，劉國英，李蘭*，何宏魁，高江婧，王錄

1(安徽古井貢酒股份有限公司，安徽 亳州，236820) 2(安徽省固態發酵工程技術研究中心，安徽 亳州，23680)

黃漿水是濃香型白酒生產的副產物，其含有豐富的醇、醛、酸、酯等香氣成分，還含有淀粉、糖分、固形物及經長期馴化的己酸菌、丁酸菌、酵母菌等有益微生物[1-3]。傳統的黃水中風味物質的提取方法，主要是蒸餾法，但產品質量差、提取率低[4-5]。超臨界二氧化碳萃取技術具有純凈、安全、無溶劑殘留、提取率高、流程簡單、溶劑二氧化碳價格相對低廉且可循環使用等諸多優點，廣泛應用于食品、醫藥等領域[6-7]，采用超臨界CO2萃取技術從黃水中得到的風味成分，可用作勾兌白酒的生物功能性調味液，該調味液加入后可改善白酒風味，提升白酒品質[8]。因此本文以超臨界萃取技術為手段，從黃水中提取風味成分，從而提高了白酒行業的經濟效益和社會效益。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

黃漿水：取自古井貢酒正常釀酒生產車間窖池。

1.2 儀器與設備

HA221-40-11超臨界CO2萃取設備，南通儀創實驗儀器有限公司；Allegra 64R高速離心機，Beckman coulter公司；6890氣相色譜儀，安捷倫公司；H-CLASS超高效液相色譜儀，Waters公司；FE20K pH計，梅特勒公司等。

1.3 實驗方法

揮發性風味成分測定方法：色譜柱CP-WAX57CB毛細管柱(50 m×0.25 mm×0.20 μm)；柱溫：二階程序升溫，初始溫度 35 ℃，保持2 min，以4 ℃/min升到100 ℃，再以10 ℃/min升到210 ℃，保持15 min；進樣口溫度230 ℃；檢測器溫度240 ℃；載氣：高純氮氣；柱頭壓：120 kPa；柱流量：1.36 mL/min；進樣量：1 μL。樣品前處理時，用96%乙醇稀釋后，需先用普通濾紙過濾，再用0.45 μm的微孔濾膜過濾。

乳酸檢測方法：色譜柱Inertsil ODS- 3，色譜分析條件：紫外檢測器，波長λ=210 nm；柱溫：40 ℃；流速：1.0 mL/min；流動相為 0.1 mol/L KH2PO4用H3PO4調pH為2.5。樣品用蒸餾水經適當稀釋后，用0.45μm的微孔濾膜過濾。

采用超臨界CO2萃取技術從黃水中提取風味成分，綜合黃漿水萃取率和萃取物中總有效成分(總酯、總酸、醇類及醛類物質之和)為考察指標，針對萃取條件(萃取壓力、乙醇夾帶劑添加量、萃取溫度)、分離條件(分離壓力、溫度、分離釜Ⅱ溫度)、分離時間及添加θ環填料等工藝參數考察對萃取率的影響。

2 結果與分析

2.1 黃漿水中風味物質及乳酸檢測

由表1可知，黃漿水中除了含有7%左右的酒精外，其酸類物質含量最高，達到20 g/L以上，其次是酯類物質，達到7.13 g/L左右，總醇含量均在1 g/L以下，總醛含量甚微。黃漿水中的酸類物質以乳酸含量最高，達到40 g/L左右，其次是乙酸，己酸和丁酸。醇類物質中2,3-丁二醇含量較多，其總量在629.03～959.46 mg/L，占到總醇含量的75%以上。

表1 黃漿水的理化分析結果Table 1 The results of physical and chemical analysis of yellow water

注：a酒精含量為體積分數，b還原糖和c淀粉含量為質量分數；除表中已標注的單位外，其余含量單位均為mg/L(酸度和pH無單位)。

2.2 萃取工藝條件對萃取得率的影響

2.2.1 萃取壓力對萃取得率的影響

不同壓力下黃漿水萃取產物的得率如圖1所示。相同萃取壓力下，萃取產物的得率隨著萃取時間的延長而不斷增加。萃取壓力越高，相應的萃取產物的得率就越高。

圖1 不同萃取壓力對萃取物得率的影響Fig.1 The effect of pressure on the yield of extracts

雖然萃取壓力為25 MPa時，萃取產物的得率最高，達到9.33%，經檢測萃取物中各組分的含量較低，因萃取物料大部分是水，隨著萃取壓力增大，水分被超臨界CO2拖帶出來的就越多，而有效香味成分增加并不多，導致萃取物香味成分的濃度較低，同時萃取壓力越大，對設備的要求就越高，因此綜合考慮，萃取壓力選定20 MPa。

2.2.2 乙醇夾帶劑對萃取率的影響

夾帶劑是指純CO2氣體中加入的一種少量的、可與之混溶的、揮發性介于被分離物質與超臨界組分之間的物質。夾帶劑對萃取過程具有顯著的影響，主要通過影響溶劑的密度和溶質與夾帶劑分子間的作用力兩個方面來影響溶質在CO2流體中的溶解度和選擇性。由于CO2是非極性物質，單純的CO2只能萃取極性較低的親脂性物質，對于極性較大的物質萃取效果不理想，使用極性較大的夾帶劑可以改善極性組分在SC-CO2中的溶解度。本文所萃取的對象是釀酒發酵伴生物黃漿水，黃漿水中含有大量的極性分子，直接提取萃取率較低。為改變超臨界CO2對極性分子的低萃取率，在超臨界CO2萃取中可以添加極性分子乙醇作為夾帶劑，以提高黃漿水中香氣成分的萃取得率。

在相同的超臨界萃取工藝參數條件下，僅改變乙醇夾帶劑的用量，考察夾帶劑用量對黃漿水萃取得率的影響，結果如圖2所示。由圖2可知，添加乙醇夾帶劑后，萃取產物得率明顯增加。且乙醇夾帶劑含量越高，相應的萃取產物得率就越高。

圖2 夾帶劑用量對萃取產物得率(A)和有效物質總量(B)的影響Fig.2 The effects of entrainer on the yield of extracts(A)and the total amount of substance(B)

添加乙醇夾帶劑后，萃取的總有效物質含量比不添加乙醇夾帶劑有較大幅度地增加，而添加5%乙醇和添加10%乙醇在相同時間內萃取的總物質含量基本一致。由于乙醇本身也極易被萃取出來，因而乙醇夾帶劑用量越多，導致萃取的產物得率也越高，但實際上萃取液的有效組分總量并未增加。由此可見，乙醇夾帶劑的最適用量應為5%。

2.2.3 萃取釜溫度對萃取率的影響

在萃取釜壓力20 MPa，分離釜Ⅰ壓力6.5 MPa，溫度45 ℃；分離釜Ⅱ壓力4.5 MPa，溫度35 ℃的條件下，考察萃取釜溫度(35～60 ℃)對萃取物得率及有效物質總量的影響。

由圖3可知，隨著萃取釜溫度的升高，雖然萃取物得率成遞增趨勢，但所萃取的有效物質總量則呈先增大后減小趨勢。當萃取溫度為50 ℃時，萃取物中的有效物質總量最大。酒精包括其他醇類物質的萃取得率均隨萃取溫度的升高而增大。因此可確定萃取釜較佳溫度為50 ℃。

圖3 萃取釜溫度對萃取物得率(A)和有效物質總量(B)的影響Fig.3 The effect of extraction kettle temperature on the yield of extracts(A)and the total amount of substance(B)

2.3 分離條件優化試驗

超臨界流體萃取工藝基本上是由萃取階段和分離階段組成的，所以分離條件仍對黃漿水實際的萃取率起著重要的作用。在本試驗中，采用二級分離，末端分離器Ⅱ始終保持該設備要求的CO2最低壓力4.5～5 MPa，采用單因素試驗對分離釜Ⅰ壓力、溫度，分離釜Ⅱ溫度3個因素進行考察，以確定黃漿水的較佳分離件。

2.3.1 分離釜Ⅰ壓力對萃取的影響

萃取條件：萃取釜壓力20 MPa，溫度50 ℃；選擇分離釜Ⅰ壓力分別為6.5、7、7.5、8 MPa，溫度均為45 ℃；分離釜Ⅱ壓力4.5 MPa，溫度35 ℃；考察分離釜Ⅰ壓力(6.5、7、7.5、8 MPa)對萃取物組分的影響(圖4)。

圖4 萃取釜Ⅰ壓力對萃取物得率(A)和有效物質總量(B)的影響Fig.4 The effect of extraction kettle Ⅰ pressure on the yield of extracts(A)and the total amount of substance (B)

由圖4可知，隨著分離釜Ⅰ壓力的增大，分離釜Ⅰ收集到的萃取液得率逐漸降低，當分離釜Ⅰ壓力為6.5 MPa時，所萃取的有效物質的總量最大，隨壓力增大，有效物質總量降低，因此選擇最適的分離釜Ⅰ壓力為6.5 MPa。

2.3.2 分離釜Ⅰ溫度對萃取的影響

萃取條件：萃取釜壓力20 MPa，溫度50 ℃；分離釜Ⅰ壓力6.5 MPa，分離釜Ⅱ壓力4.5 MPa，溫度35 ℃；分離釜Ⅰ溫度設定分別為30、35、40、45、50 ℃，考察分離釜Ⅰ溫度對萃取物組分的影響。

由圖5可知，分離釜Ⅰ溫度為30 ℃時，萃取物得率及有效物質總質量均較低。分離釜Ⅰ溫度為35 ℃以上時，萃取物得率均在5%左右，有效物質總質量也基本接近。考慮到溫度越高，能耗越大，因此選定分離釜Ⅰ最佳的溫度為35 ℃。

圖5 分離釜Ⅰ不同溫度下萃取物得率(A)和有效物質總量(B)的影響Fig.5 The effect of extraction kettle Ⅰ temperature on the yield of extracts(A)and the total amount of substance(B)

2.3.3 分離釜Ⅱ溫度對萃取的影響

萃取條件：萃取釜壓力20 MPa，溫度50 ℃；分離釜Ⅰ壓力6.5 MPa，溫度35 ℃；分離釜Ⅱ壓力4.5 MPa，分離釜Ⅱ溫度設定分別為25、30、35、40 ℃；考察分離釜Ⅱ溫度對萃取物組分的影響。

由圖6可知，當分離釜Ⅱ溫度為25～30 ℃時，萃取物中總有效物質含量較多，分離釜Ⅱ溫度為30 ℃時，萃取物中總有效物質含量最多。30 ℃以上，溫度越高，有效物質含量越低。

圖6 分離釜Ⅱ溫度對萃取物得率(A)和有效物質總量(B)的影響Fig.6 The effect of extraction kettle Ⅱ temperature on the yield of extracts(A)and the total amount of substance(B)

由表2可知：萃取釜Ⅱ溫度越高，從分離釜Ⅰ解析得到的萃取物越多，而分離釜Ⅱ解析的萃取物越少，當分離釜Ⅱ溫度達到40 ℃時，分離釜Ⅱ幾乎沒有物質析出。當分離釜Ⅱ溫度設定為30 ℃時，萃取物得率最高，達到4.71%。

表2 分離釜Ⅱ溫度對萃取物得率的影響Table 2 The effect of extraction kettle Ⅱ temperature on the yield of extracts

這說明分離釜Ⅱ設定的溫度影響有效物質的析出，溫度越高，即使分離釜Ⅱ的壓力低，大部分有效物質仍然溶解于CO2中而不解析出來。這部分溶于CO2的有效物質隨著CO2進入循環體系，其中的一部分重新在分離釜Ⅰ中得到解析，因而溫度越高，分離釜Ⅰ解析出的物質越多。

2.4 萃取時間對萃取的影響

萃取條件：萃取釜壓力20 MPa，溫度50 ℃；分離釜Ⅰ壓力6.5 MPa，溫度35 ℃；分離釜Ⅱ壓力4.5 MPa，溫度30 ℃；考察萃取時間對萃取率和萃取物總量的影響。

由圖7可知，隨著萃取時間的延長，萃取物的得率逐漸增加；有效物質總質量也呈現逐漸遞增的趨勢，但在60 min以后，遞增趨勢減緩。當萃取時間為60 min時，有效物質總質量所占的比例為萃取100 min 的有效物質總質量的80%以上，即在萃取60 min后，用時花費40 min僅提取了約20%的有效成分，因此在 60 min 后延長萃取時間在經濟上是不劃算的，因而可確定超臨界CO2萃取黃漿水最佳的萃取時間為60 min。

圖7 萃取時間對萃取物得率(A)和有效物質總量(B)的影響Fig.7 The effect of extraction time on the yield of extracts(A)and the total amount of substance(B)

2.5 添加θ環填料對萃取的影響

萃取釜分別為底部直接進氣和添加θ環填料兩種情況，θ環填料裝于自制的不銹鋼網柱內，進出較方便。萃取條件：萃取釜壓力20 MPa，萃取溫度50 ℃，分離器Ⅰ壓力6.5 MPa，溫度35 ℃，分離器Ⅱ壓力4.5 MPa，溫度30 ℃，CO2流量30 L/h，每 20 min收集提取物。

圖8 θ環填料對萃取物得率(A)和有效物質總量(B)的影響Fig.8 The effect of the θ ring packing on the yield of extracts(A) and the total amount of substance(B)

由圖8可知，萃取釜中添加θ環填料可在一定程度上提高黃漿水的有效物質萃取得率。造成萃取效果差異的主要原因可能是萃取釜添加填料后，一方面由于θ環填料形成的曲折通道使上升的CO2在黃漿水物料中的停留時間延長，同時填料對上升的CO2也會產生分散作用，增加了與黃漿水的接觸面積，增強了傳質；另一方面，填料阻止了萃取液的返混，使萃取釜中的料液沿萃取方向呈現一定的濃度梯度，提高了黃漿水中的香味成分在溶劑流體中的平衡濃度，提高萃取速度。

3 結論

黃漿水中含有豐富的營養物質，綜合優化利用黃漿水，提高黃漿水的利用率是白酒生產企業的重要研究方向。本研究采用超臨界CO2萃取技術對其風味組分進行萃取，對黃漿水超臨界萃取工藝參數進行試驗，得到較佳的萃取條件，萃取壓力為20 MPa，萃取釜溫度50 ℃，分離釜Ⅰ壓力6.5 MPa，分離釜Ⅰ溫度35 ℃，分離釜Ⅱ壓力為4.5～5 MPa，分離釜Ⅱ溫度30 ℃，食用酒精夾帶劑用量為5%，CO2流量為30L/h，萃取釜中添加填料，1 h萃取率可達到7.4%。黃漿水綜合利用率的提高不僅能提高白酒生產企業的利益，還能減少白酒企業因黃水排放給環境帶來的污染，會產生諸多的社會效益。