陽離子交換樹脂調酸釀造水蜜桃果酒研究

朱陽，吉姆·哈迪，曾令文

（常州大學城鄉礦山研究院，江蘇 常州 213164）

水蜜桃（PrunuspersicaL.Batsch）屬于薔薇科，桃屬。營養豐富，利用價值高，但上市集中，而且貨架期短、貯運性差。以水蜜桃為原料經發酵釀制成果酒可有效開拓水蜜桃消費渠道，促進環境資源綜合利用[1-2]。酸是水蜜桃果酒基本的味覺組成元素和化學成分之一，對水蜜桃果酒的顏色、微生物穩定性及酵母生長情況都有重要影響作用。pH值是反映果酒酸度的最直接指標，一般認為發酵液中初始pH值低于3.0時，會抑制酵母菌的代謝活動，而初始pH值過高則有可能產生如醋酸菌等雜菌病害[3]。此外在使用二氧化硫對果酒抑菌時，二氧化硫的活性會隨著pH值升高而下降，從而影響果酒的保質期[4]，因此初始pH值是水蜜桃果酒釀造過程中需要重點控制的參數之一[5]。何晨等研究認為水蜜桃果酒發酵初始pH值為3.4時能夠獲得較佳的風味和色澤[6]，而成熟水蜜桃的pH值可達4.0以上，需要采取增酸措施來降低其pH值。傳統的增酸方法為添加有機酸，其中酒石酸因酸度強，不易受微生物代謝的影響而較為常用，但當所需調整pH值的幅度較大時，這種方法存在一定缺點，添加大量酒石酸的成本較高不利于工業化生產而且酒石酸容易與果酒中的鉀離子生成絡合物并析出，導致果酒的品質不穩定[7]。離子交換樹脂作為一種具有交換基團的不溶性固體高分子物質，可以在不添加其他化學物質的情況下，與溶液中相同電荷離子發生交換，根據樹脂交換基團的不同可分為陰離子和陽離子交換樹脂，根據樹脂結構不同，又可分為大孔型和凝膠型樹脂。目前，在果酒方面關于離子交換樹脂的應用主要為使用陰離子樹脂進行脫酸、脫澀[8-10]，使用陽離子樹脂在發酵前進行酸化并釀造水蜜桃果酒的研究尚未見報道。本研究分別使用添加酒石酸、S1568凝膠型樹脂、S2568大孔型樹脂對水蜜桃果汁進行增酸處理，采用清汁發酵工藝釀造干白型水蜜桃酒，對比分析了3種處理方式后的理化指標和感官評價，旨在優化水蜜桃果酒的釀造工藝，為其工業化生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 釀酒原料及輔料

水蜜桃（湖景品種，pH 4.6，總酸4.2 g/L）：江蘇省常州市雪堰鎮；釀酒酵母（X16）、L（+）酒石酸、果膠酶（XL CLA）、硅溶膠（SILIGEL）、明膠（GECOLL）、焦亞硫酸鉀：法國Laffort公司；白砂糖（食品級）：市售；食品級凝膠型樹脂（Lewatit S1568）、大孔型樹脂（Lewaitit S2568）（結構均為苯乙烯二乙烯基苯共聚物）：德國朗盛公司。

1.1.2 化學試劑

氫氧化鈉、硫酸、37%甲醛水溶液、碳酸鈉、沒食子酸：上海凌峰化學試劑有限公司；硝酸（優級純）、30%雙氧水、福林酚試劑：國藥集團化學試劑有限公司；金屬標準溶液、有機酸標準樣品：上海阿拉丁生化科技股份有限公司，以上均為分析純。

1.2 儀器與設備

砂芯層析柱（30 mm×300 mm）：江蘇三愛思科學儀器有限公司；BT600LC蠕動泵：保定創銳泵業有限公司；ZDJ-4B自動電位滴定儀：上海儀電科學儀器股份有限公司；DMA35比重測試計：安東帕（上海）商貿有限公司；HP-40微波消解儀：上海新儀微波化學科技有限公司；NexIon 350電感耦合等離子體質譜儀：美國Perkin公司；UV-1900紫外可見分光光度計：翱藝儀器（上海）有限公司；Ultimate 3000高效液相色譜儀：美國Thermo公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 水蜜桃果酒釀造流程及操作要點

去核破碎→加入果膠酶→加入焦亞硫酸鉀→壓榨出汁→下膠澄清→自然沉降→水蜜桃果汁→分組采用不同方式調整pH值至3.5→調整糖度至23°Bx→接種發酵→倒灌、陳釀→水蜜桃果酒

操作要點如下。

下膠澄清：為加快澄清速度，將硅溶膠和明膠配合使用，下膠量分別為0.3 mL/L和0.03 g/L，預處理后分批加入水蜜桃果汁中，通過泵送循環混合。

酸度調整：將水蜜桃果汁分3組進行酸度調整，分別使用S1568凝膠型樹脂處理、S2568大孔型樹脂處理以及添加酒石酸處理。

1）樹脂調酸：所選用的兩種樹脂均為強酸型陽離子交換樹脂，交換基團為磺酸基（-SO3H），兩種樹脂材料具有不同的內部孔隙構造。量取20 mL樹脂，使用80 mL的10%硫酸溶液進行活化，裝入層析柱后使用超純水清洗至流出液呈中性。使用蠕動泵將水蜜桃汁以40 mL/min流速通過交換柱，每流出20 mL收集一管待分析檢測用，為避免樹脂中殘存液體影響[11]，丟棄第一管。按檢測得到的交換容量再次量取樹脂并活化，調整水蜜桃果汁的pH值至3.5待發酵用。兩種樹脂調酸操作步驟相同。

2）酒石酸調酸：直接加入待發酵水蜜桃果汁中，以每次0.5 g/L添加量分多次加入，調節pH值至3.5，作為對照。

1.3.2 水蜜桃果汁可同化氮值測定

酵母可同化氮（yeast assimilablenitrogen，YAN）是指能被酵母利用的氮源，主要包括游離氨基酸態氮和銨態氮[12]。甲醛和游離氨基酸及銨鹽均可反應釋放氫離子，用氫氧化鈉滴定后可得到二者含氮總量，故使用甲醛滴定法測量1.3.1中樹脂調酸后流出液的可同化氮值，滴定終點pH值為8.2[13]。

1.3.3 水蜜桃果汁礦物元素含量測定

調酸后的水蜜桃果汁中礦物元素包括鉀、鈣、鈉、鎂、鐵、銅的含量采用微波消解-電感耦合等離子質譜法（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICPMS）進行測定。

樣品消解處理：取10 mL待測果汁離心（轉速5 000 r/min，時間 10 min）后取上清液，經 0.45 μm 膜過濾，移取5 mL至消解罐中，加入4 mL濃硝酸和2 mL雙氧水，在罐內進行預先消解后放入消解儀中開始按程序分步升溫，用超純水做空白。消解完成后，將消解罐敞口在190℃電熱板上趕酸至近干，冷卻后加入5 mL超純水，轉移至容量瓶中并定容至10 mL。

元素定量分析方法參照GB 5009.268—2016《食品安全國家標準食品中多元素的測定》。

1.3.4 水蜜桃果汁有機酸含量測定

根據有關文獻[14]，水蜜桃中的有機酸主要為蘋果酸、奎寧酸、檸檬酸和草酸。使用反相高效液相色譜法測定調酸后水蜜桃果汁中的有機酸含量。

樣品的前處理以及標準溶液配制參照雷艷等[15]方法，色譜條件：UltimateAQ-C18色譜柱（250mm×4.6mm，5 μm）；0.1%磷酸 ∶甲醇（體積比，97∶3）溶液為流動相等度洗脫；進樣量10 μL，柱溫30℃，流速1.0 mL/min；紫外檢測器，檢測波長為210 nm。

1.3.5 水蜜桃果酒理化指標測定

含糖量：使用比重計進行測定并轉換為Brix值；總酸參照國標GB/T 15038—2006《葡萄酒、果酒通用分析方法》；總酚含量測定：福林酚法[16]。

1.3.6 水蜜桃果酒顏色測定

采用 CIE 1976（L*、a*、b*）色空間法測定，樣品經離心（5 000 r/min，10 min）、0.45 μm 膜過濾后放入 10 mm比色皿中，使用分光光度計的光譜模式，掃描樣品在380 nm至780 nm波長范圍內的吸光度。光譜條件：掃描間隔 5 nm，D65 照明體。L*、a*、b*值計算方法參照SN/T 4675.25—2016《出口葡萄酒顏色的測定》。

1.3.7 水蜜桃果酒感官評價

由10名經過感官評定訓練并通過考核的學生組成評價小組對3種調酸方式釀造的果酒進行感官評定，采用定量描述分析方法。評分指標分為整體品質、顏色、果香特征、香氣濃度、口感平衡性、口感持續性、酒體7項，每項滿分10分。

1.4 數據處理

試驗均進行3次重復，使用SPSS 20.0軟件進行統計分析，試驗結果以x±SD方式表達，采用單因素方差分析和最小顯著性差異法（least significant difference，LSD）進行組間比較，P<0.05表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1 調酸方式對水蜜桃果汁理化指標影響

2.1.1 水蜜桃果汁pH值變化過程

按照1.3.1的調酸過程，水蜜桃汁在流出陽離子交換柱時pH值動態變化以及添加酒石酸后pH值的變化過程如圖1所示。

圖1 水蜜桃果汁的pH值變化曲線Fig.1 pH change curve of peach juice

由圖1可知，pH值為4.6的水蜜桃果汁經兩種樹脂后的起始流出液的pH值均迅速下降至3.0以下，并且前10倍柱床體積的流出液pH值保持相對穩定。當流出的水蜜桃汁到達15倍柱床體積時，開始出現穿透，pH值快速升高，到達40倍柱床體積時流出液和進液的pH值相等且不再變化，此時樹脂交換能力耗盡，需要更換樹脂或對樹脂進行再生。從兩種樹脂的pH值洗脫曲線來看，S1568型樹脂對應的曲線穿透點出現更晚，表明其具有更高的交換容量和穿透容量，另外S1568型樹脂的穿透曲線更陡、斜率更大，說明該型樹脂的利用率更高[17]。

采用添加酒石酸處理時，隨著酒石酸的不斷加入果汁的pH值下降并不呈線性，在pH值為3.65左右時呈現較強的緩沖作用。水蜜桃果汁中各種有機酸的解離狀態不同，在實際生產中，想要準確預測調節至目標pH值所需酒石酸量較為困難。

2.1.2 水蜜桃果汁可同化氮的變化過程

在1.3.1中分管收集的水蜜桃汁可同化氮值變化如圖2所示。

圖2 可同化氮值洗脫曲線Fig.2 YAN elution curves

由圖2可知，在開始流出的組分中，可同化氮值下降明顯，在4倍 ～5倍柱床體積時，流出液的可同化氮值出現穿透并迅速回升，在12倍 ～16倍柱床體積時達到動態平衡，相比S1568型樹脂，S2568型樹脂對可同化氮的吸附容量更大。兩種樹脂在到達吸附平衡之前出現流出組分中可同化氮的含量大于初始含量的情況，可能是由于之前組分中被吸附到樹脂上的含氮物質被其他無機鹽或有機酸鹽替換[18]而進入新的流出組分中。

在水蜜桃果汁中大部分天然氨基酸的等電點（pI）大于試驗件下的pH值而呈帶正電荷狀態，因此可被陽離子樹脂所吸附和交換，從而導致可同化氮值降低。若發酵液中氮源不足，有可能導致發酵過程中硫化氫及硫醇增加，影響果酒品質。一般認為可同化氮值高于140 mg/L ～150 mg/L才能完成正常發酵[19]。由此可見，使用陽離子樹脂酸化果汁釀造果酒時有必要檢測其含氮量并根據發酵情況適當補充氮源。

2.1.3 調酸后水蜜桃果汁的理化指標

在pH值都調至3.5的情況下，對比3種調酸方式處理果汁的理化指標，結果見表1。

表1 調酸后水蜜桃果汁理化指標Table 1 Physicochemical properties of peach juice after acidification

由表1可知，采用樹脂處理的水蜜桃果汁中的礦物元素由于和樹脂上的氫離子發生交換導致含量明顯減少（P<0.05），交換過程中起最主要作用的是鉀離子的交換。此外微量元素鐵、銅的含量出現下降，均低于國標所規定的限定值[20]（鐵≤8 mg/L，銅≤1 mg/L），也可降低果酒出現鐵破敗病和銅破敗病的風險，有助于提高果酒的穩定性[21]。S1568型樹脂在對多數礦物元素的吸附能力要大于S2568型樹脂。

相比于添加酒石酸，樹脂處理的果汁總酸增加幅度較小，對于主要有機酸的影響方面，樹脂對草酸和奎寧酸的吸附作用不顯著（P<0.05），對蘋果酸和檸檬酸有一定的吸附作用但吸附程度并不高。樹脂處理后的含糖量有少量減少?？偡雍糠矫嫔希瑑煞N樹脂的吸附作用均較為顯著（P<0.05），減少量大于30%，這對于果酒的抗氧化性會產生一定不利效果，但有利于降低多酚類物質帶來的苦澀味。S2568型樹脂對水蜜桃果汁的有機成分吸附能力要強于S1568型樹脂，其原因可能是S2568型樹脂為大孔樹脂，內部多孔具有更大的比表面積，而S1568凝膠型樹脂的吸附效果只能夠作用于樹脂顆粒表面。

2.2 調酸方式對水蜜桃果酒的理化指標分析

2.2.1 水蜜桃果酒發酵過程糖度變化

3種處理方式的水蜜桃果酒發酵過程的糖度消耗曲線如圖3所示。

圖3 發酵過程的耗糖曲線Fig.3 Sugar consumption curves of peach wine fermentation

從圖3可知，相比于酒石酸處理方式，經樹脂處理后的發酵液消耗糖分的速度明顯較慢，發酵遲滯期較長，表明酵母需要更長的時間來適應發酵液中較低的氮源和礦物元素含量。經過10 d ～12 d時間，由于酒精含量增加，發酵液的比重小于水，由比重換算得到的含糖量值為負，3種處理方式后的發酵液都基本完成了酒精發酵。S1568凝膠型樹脂處理后的發酵液耗糖速度略大于S2568大孔型樹脂處理的發酵液。

2.2.2 水蜜桃果酒的基本理化指標

不同處理后水蜜桃果酒理化指標見表2。

表2 不同處理后水蜜桃果酒理化指標Table 2 Physicochemical properties of peach wines with different treatments

由表2可知，在產酒精能力上，3種處理方式沒有明顯差異（P>0.05）。發酵完成后，添加酒石酸法的pH值比樹脂處理后的pH值更低，主要原因是發酵液中酒石酸氫鉀的結晶析出促使結合態的酒石酸解離出更多的酒石酸氫根離子和氫離子。樹脂處理后的果酒揮發酸含量高于添加酒石酸的處理方式，但未超過NY/T 1508-2007《綠色食品果酒》規定的1.50 g/L限定值，3種揮發酸的差異可能與發酵液中氨基酸、多酚類物質和礦物元素的組成有關[22]。

2.2.3 水蜜桃果酒的顏色特征

不同處理后水蜜桃果酒的顏色指標見表3。

表3 不同處理后水蜜桃果酒的顏色指標Table 3 Color parameters of peach wines with different treatments

表3中L*、a*、b*的數值由大到小分別表示果酒顏色明暗、紅綠、藍黃的程度，亮度方面S2568樹脂處理>S1568樹脂處理>酒石酸處理，表明樹脂處理后的果酒具有更好的光澤度。酒石酸處理的果酒a*值較大，表明顏色上更偏紅，可能是由于發酵完成后的pH值差異導致。

2.3 水蜜桃果酒的感官評價

不同調酸方式的水蜜桃果酒感官評價見圖4。

圖4 不同調酸方式的水蜜桃果酒感官評價Fig.4 Sensory evaluation of peach wines with different treatments

由圖4可知，使用樹脂調酸后水蜜桃果酒口感更加平衡，果香特征更加明顯，而使用酒石酸調酸的水蜜桃果酒則在口感持續性、酒體和香氣濃度方面得分較高。結合2.2.3中的顏色參數可看出樹脂調酸后的水蜜桃果酒澄清度更好，顏色更具吸引力。綜合來看，在香氣和外觀無明顯缺陷的情況下，口感在整體評分中占據主要權重，S1568型樹脂調酸方式整體評分最高。

3 結論

使用強酸型陽離子交換樹脂能夠有效的降低水蜜桃果汁的pH值，對總酸改變較少，能夠完成正常發酵。但樹脂調酸會對果汁的營養成分如礦物元素、多酚類物質和含氮組分等造成一定損失。相比于使用傳統的酒石酸調酸方式，樹脂處理后的發酵液發酵啟動晚，發酵速度較慢，發酵完成后的水蜜桃果酒揮發酸含量更高，在實際嗅覺感官上并未察覺。樹脂調酸后的果酒酸澀感明顯下降，具有更高的澄清度更佳的果香典型性。此外樹脂可以通過再生重復使用，在工業化生產中有利于降低成本。試驗選用的兩種樹脂中，S1568凝膠型樹脂比S2568凝膠型樹脂對多數有機成分的吸附作用更小，感官評價的整體評分也較高，適合用于水蜜桃果酒的釀造。本研究對于解決其它果酒釀造中酸度失衡的問題也具有一定借鑒意義。