馬德秀，白羽嘉,*，韓海霞，陳麗萍，馮作山

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆果品采后科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830052）

新蒸餾出的原白蘭地香味不圓熟，質(zhì)地較粗糙，不具有白蘭地的口感和香氣，需經(jīng)陳釀逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒彀滋m地。橡木片由不能制作橡木桶的橡木板材經(jīng)物理、化學(xué)、生物方法處理后經(jīng)烘烤加工而制成，相當(dāng)于橡木桶內(nèi)表面真正起作用的一層被刮下來，能夠被酒液充分浸提[1]。由于橡木片與白蘭地接觸表面積大，萃取率高，能夠使酒體變得更豐滿、醇厚，可縮短白蘭地老熟周期，降低釀造白蘭地成本。

超聲波是頻率高于20 kHz 的機(jī)械波，可在氣體、液體、固體等介質(zhì)中進(jìn)行傳播，并會(huì)在介質(zhì)表面產(chǎn)生空化效應(yīng)和劇烈的沖擊現(xiàn)象[2]。其具有設(shè)備簡(jiǎn)單、耗能低、安全系數(shù)高、對(duì)食品品質(zhì)影響作用小等優(yōu)點(diǎn)，在食品領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如超聲輔助提取、促溶、陳化和解凍等。當(dāng)超聲波在白蘭地中傳播時(shí)，瞬態(tài)空化泡收縮至臨界點(diǎn)崩潰時(shí)，分子的活化能增強(qiáng)，巨大的能量能夠加速酒液中分子鍵的斷裂和生成[3]，促進(jìn)白蘭地內(nèi)部發(fā)生氧化、還原、酯化反應(yīng)，改變白蘭地中酸類、酯類、酚類和其他物質(zhì)含量[4]，能夠加速白蘭地熟化，縮短陳化時(shí)間[5]。超聲波具有機(jī)械破碎效應(yīng)及強(qiáng)烈的空化效應(yīng)[6]，能夠加速促溶物質(zhì)的釋放及溶出，并與溶劑充分混合，可提高提取效率[7]，具有提取時(shí)間短、效率高、條件溫和等優(yōu)點(diǎn)，可用于促溶橡木片中單寧類物質(zhì)[8]。

本文在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上考察超聲時(shí)間、超聲功率、橡木添加量、浸泡時(shí)間對(duì)白蘭地色度、總酚、單寧、pH 值、總酸、總酯、感官評(píng)價(jià)的影響，結(jié)合響應(yīng)面法對(duì)橡木陳釀白蘭地促溶工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以期為超聲在橡木陳釀白蘭地促溶工藝中的開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 材料與試劑

白蘭地：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室新蒸餾出的原白蘭地，酒精度為50%Vol；橡木片：法國LAFFORT 公司；鎢酸鈉、磷鉬酸、氫氧化鈉、濃硫酸、單寧酸（≥98%）、磷酸、無水碳酸鈉、酚酞，均為分析純，購自盛通泰化工化學(xué)試劑（天津）有限公司；沒食子酸、福林肖卡試劑，優(yōu)級(jí)純，均為索萊寶科技（北京）有限公司產(chǎn)品。

1.1.2 儀器與設(shè)備

BCD-229BSV 型冰箱，青島市海爾集團(tuán)有限公司；TU-1810 型紫外分光光度計(jì)，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；TGL-16gR 型離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠；FA2104N 型分析天平，上海民橋精密科學(xué)儀器有限公司；FE20 型pH 計(jì)，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；TopPette Pipettor 移液器，上海熱電儀器有限公司；KUDOS 型SK 臺(tái)式超聲波處理機(jī)，上?？茖?dǎo)超聲儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1.1 超聲時(shí)間的確定

稱取100 mL 酒液，在超聲功率175 W 的條件下分別超聲處理0、5、10、15、20、25 min，橡木添加量1.2 g，浸泡時(shí)間20 d，測(cè)定各組白蘭地中理化指標(biāo)的變化，確定最佳超聲時(shí)間。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。

1.2.1.2 超聲功率的確定

稱取100 mL 酒液，分別在超聲功率0、125、150、175、200、225 W 條件下處理10 min，橡木添加量1.2 g，浸泡時(shí)間20 d，測(cè)定各組白蘭地中理化指標(biāo)的變化，確定最佳超聲功率。每組試驗(yàn)重復(fù)3 次，結(jié)果取平均值。

1.2.1.3 橡木添加量的確定

稱取100 mL 酒液，分別加入0、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6 g 橡木片，在浸泡時(shí)間20 d，超聲功率175 W，超聲時(shí)間10 min 的條件下進(jìn)行處理，測(cè)定各組白蘭地中理化指標(biāo)的變化，確定最佳橡木添加量。每組試驗(yàn)重復(fù)3 次，結(jié)果取平均值。

1.2.1.4 浸泡時(shí)間的確定

稱取100 mL 酒液，分別在浸泡時(shí)間0、5、10、15、20、25、30 d，橡木添加量1.2 g，超聲功率175 W，超聲時(shí)間10 min 的條件下進(jìn)行超聲處理，測(cè)定各組白蘭地中理化指標(biāo)的變化，確定最佳浸泡時(shí)間。每組試驗(yàn)重復(fù)3 次，結(jié)果取平均值。

1.2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box-Behnken 設(shè)計(jì)原理，以單寧含量為響應(yīng)值，超聲時(shí)間、超聲功率、橡木添加量、浸泡時(shí)間為自變量，設(shè)計(jì)四因素三水平響應(yīng)面分析試驗(yàn)，確定白蘭地單寧物質(zhì)溶出最優(yōu)工藝條件。試驗(yàn)因素水平如表1 所示。

表1 Box-Behnken 試驗(yàn)因素和編碼水平Table 1 Box-Behnken test factors and coding levels

1.2.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.3.1 色度

采用分光光度法[9]進(jìn)行測(cè)定。

1.2.3.2 總酚含量

參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15038—2006[10]，采用Folin-Ciocalteus 法測(cè)定。以沒食子酸濃度（50～1 000 mg/mL）為橫坐標(biāo)，以O(shè)D765為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得回歸方程y=0.001 42x-0.006 84，R2=0.999 2，將吸光值代入標(biāo)準(zhǔn)曲線，即為待測(cè)樣品的總酚含量。

1.2.3.3 單寧含量

采用福林-丹尼斯法[11]測(cè)定，以單寧酸為標(biāo)準(zhǔn)品，以O(shè)D760為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得回歸方程：y=0.000 72x+0.014 14，R2=0.999 3，將吸光值代入標(biāo)準(zhǔn)曲線，即為待測(cè)樣品的單寧含量。

1.2.3.4 pH

使用FE20 型pH 計(jì)測(cè)定。

1.2.3.5 總酸含量

參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11856—2008[12]，采用電位滴定法測(cè)定。

1.2.3.6 總酯含量

參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11856—2008[12]，采用指示劑法測(cè)定。

1.2.3.7 感官評(píng)價(jià)

參照GB/T 10345—2007[13]中的品評(píng)方法。品評(píng)員由十名評(píng)酒員組成，要求評(píng)酒員感覺器官靈敏。采用表2 中的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)白蘭地進(jìn)行品評(píng)，判定白蘭地在經(jīng)過不同處理后的感官變化。

表2 白蘭地感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Sensory evaluation criteria of brandy

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

采用IBM SPSS Statistics 20.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用LSD 多重比較進(jìn)行差異顯著性分析，采用Origin 2019 軟件進(jìn)行繪圖，文中所有數(shù)據(jù)分析均為重復(fù)3次后的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 超聲時(shí)間對(duì)白蘭地理化指標(biāo)的影響

由表3 可知，隨超聲時(shí)間的增加，色度、總酚、單寧、總酸、總酯、感官評(píng)分整體呈先上升后下降的趨勢(shì)，pH 值則先下降后上升。處理10 min 白蘭地色度為0.886，單寧含量為1 232.188 mg/L，總酸含量為0.393 g/L，總酯含量為0.288 g/L；處理15 min 總酚含量為1 333.366 mg/L，感官評(píng)分為84.667，均大于其他處理組。繼續(xù)增加處理時(shí)間，其各含量不再增加，總酚含量與單寧含量的變化規(guī)律基本一致，可能是隨時(shí)間的延長，使水分子裂解為自由基[14]，超聲初期會(huì)使自由基產(chǎn)生和積累[15]，但隨超聲時(shí)間的延長自由基產(chǎn)生會(huì)越來越緩慢[16]，自由基反應(yīng)使酒體中的酚類等物質(zhì)產(chǎn)生降解。超聲波增強(qiáng)分子活性，促進(jìn)酸類物質(zhì)形成，醇類物質(zhì)不斷轉(zhuǎn)化，酯化反應(yīng)為可逆反應(yīng)，隨酯類含量增多，平衡向左移動(dòng)，醇生酯、酯生酸的反應(yīng)速率減小，因此總酸、總酯的含量表現(xiàn)為先升后降，總酸含量越高，pH 值越低。隨超聲時(shí)間的延長，白蘭地色度先增大后減小，色度越深，總酚、單寧含量越大，超聲15 min 時(shí)總酚、pH 值與超聲10 min 時(shí)差異不顯著。因此，綜合考慮選取超聲時(shí)間為10 min。

表3 超聲時(shí)間對(duì)白蘭地理化指標(biāo)的影響Table 3 Effects of ultrasonic time on physicochemical indices in brandy

2.1.2 超聲功率對(duì)白蘭地理化指標(biāo)的影響

由表4 可知，隨超聲功率的不斷增加，色度、總酚、單寧、總酸、總酯、感官評(píng)分整體呈先上升后下降的趨勢(shì)，pH 值則先下降后上升。超聲處理175 W 時(shí)白蘭地色度為0.923，總酚含量為1 280.861 mg/L，單寧含量為1 110.644 mg/L，總酸含量為0.438 g/L，總酯含量為0.321 g/L，感官評(píng)分為85.667，均大于其他處理組。繼續(xù)增加超聲功率，其各含量不再增加，總酚含量與單寧含量的變化規(guī)律基本一致，可能是當(dāng)超聲功率增加時(shí)，超聲波聲幅增大，促進(jìn)白蘭地中酚類物質(zhì)的溶出與分解。當(dāng)超聲功率達(dá)到一定值后，隨超聲空化效應(yīng)壓強(qiáng)增大、溫度升高、超聲密度增加，氧化速度加快，在極限環(huán)境中酒體內(nèi)部發(fā)生一系列的化學(xué)變化[17]，破壞酒體中酚類物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，總酚、單寧含量下降；總酸、總酯先升后降，可能是超聲波空化效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)使酒中生成高溫高壓的極端環(huán)境，增強(qiáng)分子活性，促進(jìn)酸類、酯類物質(zhì)的形成。隨功率不斷增加，超聲波對(duì)酒體施加外來能量場(chǎng)，破壞原有平衡，導(dǎo)致酯類、酸類向分解反應(yīng)進(jìn)行，因此總酸、總酯的含量表現(xiàn)為先升后降，總酸含量越高，pH 值越低；隨超聲功率的增加，白蘭地色度先增大后減小，色度越深，總酚、單寧含量越高，超聲功率為175 W 時(shí)各指標(biāo)均達(dá)到最優(yōu)，因此，選取超聲功率為175 W。

表4 超聲功率對(duì)白蘭地理化指標(biāo)的影響Table 4 Effects of ultrasonic power on physicochemical indices in brandy

2.1.3 橡木添加量對(duì)白蘭地理化指標(biāo)的影響

由表5 可知，隨橡木添加量的不斷增加，色度、總酚、單寧、總酸、總酯、感官評(píng)分整體呈先上升后下降的趨勢(shì)，pH 則先下降后上升。橡木添加量為1.2 g/100 mL時(shí)，白蘭地色度為0.873，總酚含量為1 406.528 mg/L，單寧含量為1 303.526 mg/L，總酸含量為0.664 g/L，總酯含量為0.486 g/L，感官評(píng)分為83.667，均大于其他處理組。繼續(xù)增加橡木添加量，其各含量不再增加，隨著橡木添加量的增加，酒液與橡木接觸的面積增加，促進(jìn)橡木片中酚類物質(zhì)的溶出與分解、擴(kuò)散速率增加并溶于酒體中，總酚、單寧含量呈先上升后下降的趨勢(shì)；隨橡木添加量的不斷增加，白蘭地的色度、總酸、總酯也在不斷變化，但橡木片添加量也不能過多，過多會(huì)造成酒的橡木味過重，掩蓋酒體本身的風(fēng)味，導(dǎo)致酒體粗糙。因此，確定適宜的橡木添加量為1.2 g/100 mL。

表5 橡木添加量對(duì)白蘭地理化指標(biāo)的影響Table 5 Effects of oak additions on physicochemical indices in brandy

2.1.4 浸泡時(shí)間對(duì)白蘭地理化指標(biāo)的影響

由表6 可知，隨浸泡時(shí)間的不斷增加，色度、總酚、單寧、總酸、總酯、感官評(píng)分均有不同程度的增加，整體呈先上升后下降的趨勢(shì)，pH 則先下降后上升。浸泡20 d時(shí)，白蘭地色度為1.755，總酚含量為1 343.143 mg/L，單寧含量為1 212.469 mg/L，總酸含量為0.654 g/L，總酯含量為0.479 g/L，感官評(píng)分為85.667 分，均大于其他處理組。繼續(xù)延長浸泡時(shí)間，其各含量不再增加，超聲能加速橡木中酚類物質(zhì)的溶出，隨著浸泡時(shí)間的延長，酚類物質(zhì)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，由于橡木中酚類物質(zhì)充分溶出后，超聲波持續(xù)作用于白蘭地，其高強(qiáng)度的剪切力會(huì)使單寧等物質(zhì)產(chǎn)生裂解而使酚類物質(zhì)含量降低[18]；總酸、總酯先升高后降低，可能是隨著浸泡時(shí)間的增加，酸類、酯類物質(zhì)不斷溶出，但浸泡20 d 后，總酸、總酯開始下降；浸泡20 d 時(shí)，白蘭地各指標(biāo)均達(dá)到最優(yōu)值。因此，選取適宜浸泡時(shí)間為20 d。

表6 浸泡時(shí)間對(duì)白蘭地理化指標(biāo)的影響Table 6 Effects of soaking days on physicochemical indices in brandy

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果與分析

白蘭地感官特征包括酒的色度、香氣和口感，酒的色度是消費(fèi)者最先感受到的酒的特征，因而酒的色度差異直接影響消費(fèi)者的消費(fèi)感受。單寧類物質(zhì)不僅影響白蘭地口感，也是白蘭地形成透明而金黃色度的重要物質(zhì)[19-20]。根據(jù)上述超聲單因素試驗(yàn)，選擇橡木添加量、浸泡時(shí)間、超聲時(shí)間、超聲功率為自變量，單寧含量為響應(yīng)值，進(jìn)行四因素三水平Box-Behnken 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。在29 組試驗(yàn)組合條件下，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表7 所示。

2.2.1 回歸方程擬合

將表7 中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，建立回歸模型，得到白蘭地酒樣中單寧含量與橡木添加量、浸泡時(shí)間、超聲時(shí)間、超聲功率四因素變量的二次多元回歸方程為：

Y=1 035.66-0.28A+28.84B+207.35C-50.98D+2.09AB-36.23AC-72.34AD+133.27BC+120.64BD+15.03CD-144.55A2-25.39B2-67.18C2+82.24D2

2.2.2 回歸模型差異顯著性檢驗(yàn)及方差分析

為更直觀地反映因素對(duì)響應(yīng)值的影響，對(duì)回歸模型進(jìn)行響應(yīng)面分析，如圖1 所示。圖中反映了各因素與響應(yīng)值之間的關(guān)系，坡度越陡峭、角度越傾斜，則表明因素之間交互作用對(duì)響應(yīng)值影響越大，等高線呈現(xiàn)的形狀及疏密程度可以表明各因素之間交互作用的顯著性。響應(yīng)面分析結(jié)果表明，超聲功率與橡木添加量、超聲功率與浸泡時(shí)間對(duì)單寧含量影響極顯著，超聲時(shí)間與浸泡時(shí)間對(duì)單寧含量影響顯著，與表8 結(jié)果一致。

圖1 各因素交互作用對(duì)白蘭地中單寧含量影響的響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.1 Response surface diagrams and contour maps showing interaction effects of various factors on tannin contents in brandy

表8 響應(yīng)面方差分析結(jié)果Table 8 Variance analysis results of response surface

2.2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

通過Design-Expert 8.0.6 軟件響應(yīng)面優(yōu)化分析方法對(duì)回歸模型進(jìn)行分析，得到超聲促溶單寧的最佳工藝參數(shù)為：超聲時(shí)間10.65 min，超聲功率179.38 W，橡木添加量1.20 g/100 mL，浸泡時(shí)間20.05 d，單寧含量的理論預(yù)測(cè)值為1 314.13 mg/L。在響應(yīng)面分析法求得的最佳條件下考慮到試驗(yàn)設(shè)備和工廠生產(chǎn)中的實(shí)際操作條件，將微波促溶工藝參數(shù)調(diào)整為：超聲時(shí)間11 min，超聲功率180 W，橡木添加量1.20 g/100 mL，浸泡時(shí)間20 d，在此條件下，進(jìn)行3 次平行試驗(yàn)，得到單寧含量為1 319.42 mg/L，比預(yù)測(cè)值大。說明采用響應(yīng)面法得到的擬合模型能很好地預(yù)測(cè)單寧含量與各試驗(yàn)因素之間的關(guān)系，工藝參數(shù)可靠，超聲對(duì)橡木陳釀白蘭地促溶工藝的研究有指導(dǎo)意義。

3 討論與結(jié)論

利用超聲波的“空化”作用，通過不同的超聲功率、時(shí)間、溫度對(duì)白蘭地進(jìn)行處理，從外界給白蘭地中的各類物質(zhì)施加超聲效應(yīng)，可增強(qiáng)各類物質(zhì)的活化能，提高分子之間的有效碰撞，使酯化、縮合等反應(yīng)快速進(jìn)行，形成白蘭地特有香味，改善白蘭地品質(zhì)。由于超聲波在水、果汁等介質(zhì)中具有良好的穿透性，可以增加生物膜及細(xì)胞壁的傳遞速度，促進(jìn)生物分子解聚和有效成分的快速溶出，此外超聲波的次級(jí)效應(yīng)，如擴(kuò)散、擊碎、化學(xué)效應(yīng)等也可促進(jìn)水果、植物體中有效成分的高效溶出。舒杰[21]在超聲處理對(duì)黃酒品質(zhì)的影響中發(fā)現(xiàn)，超聲時(shí)間20 min、超聲溫度20 ℃、超聲功率135 W 的條件下燕麥黃酒的感官品質(zhì)最佳。周曉芳[22]研究了橡木片與超聲波聯(lián)合處理葡萄酒的催陳效果，結(jié)果表明，超聲處理20 min，橡木片添加量為6 g/L 催陳效果最佳。Masuzawa 等[23]對(duì)超聲波催陳紅葡萄酒內(nèi)酚類物質(zhì)含量變化進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)超聲波處理可顯著提高紅葡萄酒中酚類物質(zhì)的含量。

本研究以新蒸餾出的白蘭地為原料，通過測(cè)定超聲時(shí)間、超聲功率、橡木添加量、浸泡時(shí)間各單因素處理后白蘭地中色度、總酚、單寧、pH、總酸、總酯指標(biāo)并結(jié)合感官評(píng)價(jià)，確定超聲時(shí)間為10 min，超聲功率為175 W，橡木添加量為1.20 g/100 mL，浸泡時(shí)間為20 d 時(shí)各項(xiàng)理化指標(biāo)較優(yōu)。

經(jīng)過響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，確定超聲促溶的最佳工藝條件為：超聲時(shí)間11 min，超聲功率180 W，橡木添加量1.20 g/100 mL，浸泡時(shí)間20 d，該條件下單寧含量為1 319.42 mg/L；超聲促溶工藝得到的回歸模型對(duì)試驗(yàn)擬合較好，表明響應(yīng)面設(shè)計(jì)所得結(jié)果準(zhǔn)確可靠。該模型不僅可用于超聲對(duì)橡木促溶白蘭地中單寧物質(zhì)溶出效果的分析與預(yù)測(cè)，而且還可以用于催陳白蘭地，提高白蘭地的品質(zhì)。