Optimization of turbidity removal process of ultra-low alcohol strong-flavor Baijiu by active carbon with response surface method
中国白酒是世界上最古老的蒸馏酒之一[1]，以高酒精度闻名。 我国大部分名优白酒酒精度通常在38%vol～60%vol（酒精度是指在20 ℃环境下酒中含乙醇体积百分比）[2]，随着消费者对饮食健康的日益重视，以及世界各国对饮食文化的交流和发展[3]，白酒低度化势在必行，而且进口国的酒税随着酒度的递增，酒度越高，出口税亦越重[4]。日本清酒和韩国真露酒精度均在15%vol～30%vol左右，欧美国家较受欢迎的蒸馏酒酒精度在40%vol左右[5-7]。目前我国国家标准GB/T 10871.1—2021《白酒质量要求第1部分 浓香型自酒》中规定低度白酒度数在25%vol～40%vol[2]，但是酒精度在25%vol以下超低度浓香型白酒的研究业内鲜有报道。
在低度白酒生产过程中，高度酒加浆稀释过后，随着酒精度的降低，一部分含量极少的香味成分的溶解度也随之降低，一些不溶于水而溶于醇的高级脂肪酸及其乙酯析出[8-9]，从而引起白酒的失光、浑浊。其中含量较高的有：棕榈酸乙酯（ethyl palmitate）、油酸乙酯（ethyl oleate）和亚油酸乙酯（ethyl linoleate），称为白酒中的三大高级脂肪酸乙酯[10]。 现已有多种方法除浊，如膜过滤技术[11]、高分子片过滤技术[12]、以及分子筛技术[13]，但目前活性炭吸附过滤法是应用最广、最经济、效果最显著的低度白酒的除浊处理方法[14]。 张春林等[15]使用活性炭吸附除浊法对浓香型低度白酒进行除浊处理，通过处理过后的白酒平均浊度为0.22 NTU，平均感官评分为90.5分。但是活性炭处理浓香型超低度白酒尚未有学者探究，故此，本研究采用酒类活性炭吸附过滤除浊处理生产浓香型超低度白酒。为了研制一款外观清澈透明，口感和香气以及风格保留浓香型典型性的超低度白酒，选择在总酸、总酯、己酸乙酯损失量最少的前提下，以透光率和感官评分为评价指标。在单因素试验的基础上，应用Box-Behnken中心组合设计进行4因素3水平响应面试验，选择活性炭添加量、活性炭孔目数、静置吸附时间、静置吸附温度为影响因素，探究各因素对浓香型超低度白酒透光率及感官评分的影响，优化浓香型超低度白酒活性炭除浊工艺。旨在为后续浓香型超低度白酒生产提供一定理论依据和参考。
1.1.1 材料
优级浓香型白酒原酒（酒精度71.2%vol）：川南某大型白酒厂；酒类专用活性炭（型号为pk-12）：龙岩荣华炭素有限公司。
1.1.2 化学试剂
2-辛醇、己酸乙酯（均为色谱纯）：上海安谱实验科技股份有限公司；氯化钠、酚酞、氢氧化钠、盐酸（均为分析纯）：成都诺尔施科技有限责任公司。
Anton Pear DMA5000 M酒类分析仪：奥地利安东帕（中国）有限公司；Multiskan Sky全波长酶标仪：赛默飞科技（中国）有限公司；DR6000 紫外可见分光光度计：青岛明成环保科技有限公司；T-50 溶剂过滤器（2 L）、GM-033A 隔膜真空泵：天津市津腾实验设备有限公司；-40 ℃低温冰箱：广州傲雪制冷设备有限公司；JJ6000 型电子天平：常熟市双杰测试仪器厂；Agilent 8892 气相色谱仪、DB-WAXUI 毛细管色谱柱（60 m×0.25 mm×0.25 μm）：美国安捷伦科技有限公司；Milli-Q Synergy超纯水系统：德国默克公司。
1.3.1 浓香型超低度白酒活性炭除浊工艺流程及操作要点
浓香型白酒原酒→加入超纯水→加入活性炭→搅拌→静置吸附→过滤→测定透光率→理化检测、感官品评→浓香型超低度白酒成品
操作要点：在优级浓香型白酒原酒（酒精度71.2%vol）中加入超纯水降度至酒精度为24%vol的浓香型白酒基酒；待酒样稳定后，再按100～500 目活性炭孔目数0.15‰～0.95‰活性炭添加量加入酒类专用活性炭；在容器中使用玻璃棒搅拌30 min使活性炭均匀散开；放置冰箱内，在-5～15 ℃温度条件下静置吸附5～25 h后，使用过滤器过滤，即得浓香型超低度白酒成品。
1.3.2 分析检测
（1）理化指标
酒精体积分数测定：使用酒类分析仪测定；总酸测定：电位滴定法[16]；总酯测定：指示剂法[16]；己酸乙酯测定：参照GB/T 10781.1—2021《白酒质量要求第1部分：浓香型白酒》中的方法测定[2]。
总酸、总酯、己酸乙酯损失量计算公式如下：
式中：Y为总酸、总酯、己酸乙酯损失量，g/L；X1为过滤前样品中总酸含量，g/L；X0为过滤后样品中总酸含量，g/L。
（2）透光率的检测
取过滤后的酒样，以超纯水为参比，用紫外-可见分光光度计在波长680 nm处测定所样品的透光率，每个样品检测3组平行[17]，结果以“平均值±标准差”表示。
（3）感官评价
由省级及以上白酒评委组成的评定小组参照国标GB/T 10345—2022《白酒分析方法》[16]及对浓香型超低度白酒从色泽和外观、香气、口感、风格4个方面进行感官评价，满分100分，结果以“平均值±标准差”表示，浓香型超低度白酒的感官评分标准见表1。
表1 浓香型超低度白酒的感官评分标准
Table 1 Sensory evaluation standards of ultra-low alcohol strong-flavor Baijiu
项目 评分标准 分数/分色泽和外观（20分）香气（30分）无色或者微黄，清亮透明，无油面，无悬浮物，无沉淀无色或者微黄，清亮，略有失光，无悬浮物，无沉淀无色，失光严重，有明显絮状物或沉淀具有较浓郁的窖香为主的复合香气，酒香融合主体香气明显，闻香较正，酒香较融合主体香不明显，闻香尚正，酒香稍融合11～20 6～10 0～5 21～30 11～20 0～10 21～30口感（30分）绵甜醇厚，或酒体丰满或丰满细腻，皆调爽净，后味、回味悠长较绵甜醇厚，或较酒体丰满，或较丰满细腻，后味、回味悠长尚绵甜醇厚，或酒体尚丰满，或尚丰满细腻，后味、有回味11～20 0～10风格（20分）浓香型风格突出、典型浓香型风格明显浓香型风格尚可15～20 6～14 0～5
1.3.3 浓香型超低度白酒活性炭除浊工艺优化
（1）单因素试验
取浓香型超低度白酒基酒（24%vol），采用酒类活性炭吸附过滤除浊处理制备浓香型超低度白酒。 依次考察活性炭孔目数（100目、200目、300目、400目、500目）、活性炭添加量（0.15‰、0.35‰、0.55‰、0.75‰、0.95‰）、静置吸附温度（-5 ℃、0 ℃、5 ℃、10 ℃、15 ℃）及静置吸附时间（5 h、10 h、15 h、20 h、25 h）对浓香型超低度白酒感官评分及透光率的影响，以确定较佳的活性炭孔目数、活性炭添加量、静置吸附温度、静置吸附时间。
（2）响应面试验
在单因素试验基础上，选择活性炭孔目数（A）、活性炭添加量（B）、静置吸附温度（C）、静置吸附时间（D）为自变量，以浓香型超低度白酒透光率（Y1）及感官评分（Y2），根据响应面Box-Behnken中心组合设计（center combination design，CCD）原理，进行4因素3水平响应面试验，优化浓香型超低度白酒活性炭除浊工艺条件[18]，Box-Behnken试验设计因素与水平见表2。
表2 浓香型超低度白酒活性炭除浊工艺优化Box-Behnken试验设计因素与水平
Table 2 Factors and levels of Box-Behnken experiments design for turbidity removal process optimization of ultra-low alcohol strong-flavor Baijiu by active carbon
水平 A 活性炭孔目数/目D 静置吸附时间/h-1 B 活性炭添加量/‰C 静置吸附温度/℃0 1 200 300 400 0.35 0.55 0.75 0 5 1 0 15 20 25
1.3.4 数据处理与统计分析
使用SPSS 26.0 软件对数据进行单因素方差分析；采用Origin 2024 软件进行数据制图；Design Expert 13.0 软件进行响应面试验设计及结果分析。
2.1.1 活性炭孔目数对浓香型超低度白酒品质的影响
活性炭孔目数对浓香型超低度白酒透光率和感官评分以及总酸、总酯、己酸乙酯损失量的影响见图1。
图1 活性炭孔目数对浓香型超低度白酒透光率和感官评分（a）及总酸、总酯及己酸乙酯损失量（b）的影响
Fig.1 Effect of activated carbon pores mesh number on transmittance,sensory score (a) and loss amount of total acid, total ester and ethyl hexanoate (b) of ultra-low alcohol strong-flavor Baijiu
由图1a可知，随着活性炭孔目数在100～500目范围内的增大，超低度白酒的感官评分和透光率均呈现先升高再降低的趋势。 当活性炭孔目数为100～300目时，感官评分和透光率随之升高；当活性炭孔目数为300目时，和透光率达到最大，为（91.51±0.32）%；当活性炭孔目数＞400目之后，感官评分和透光率有所下降。由图1b可知，当活性炭孔目数为100～500目范围内增大，超低度白酒的主体香味成分己酸乙酯损失量呈现出上升的趋势，当活性炭孔目数在500目时，己酸乙酯损失量最大，为（0.4±0.02）g/L。
活性炭的孔目数与活性炭孔径成正比[19]，孔径作为吸附质分子进入微孔内吸附表面的通道，随着目数的增加，酒中的微量成分分子进入活性炭微孔越多，总酸总酯以及己酸乙酯等香味组分损失越大，从而导致酒体不丰满、后味较短、以及香味不足的现象[20]。综合考虑，选择最适活性炭孔目数为300目。
2.1.2 活性炭添加量对浓香型超低度白酒品质的影响
活性炭虽能吸附酒样在降度过程中产生的浑浊物质（如棕榈酸乙酯、油酸乙酯、亚油酸乙酯），但若用量控制不当，不仅会造成香味成分的过多损失，同时也会影响白酒的口感，使酒体出现苦味、涩味等不良口味[21]。活性炭添加量对浓香型超低度白酒透光率和感官评分以及总酸、总酯、己酸乙酯损失量的影响见图2。
图2 活性炭添加量对超低度白酒透光率和感官评分（a）及总酸、总酯及己酸乙酯损失量（b）的影响
Fig.2 Effect of activated carbon addition on transmittance, sensory score(a)and loss amount of total acid,total ester and ethyl hexanoate (b) of ultra-ow alcohol strong-flavor Baijiu
由图2a可知，当活性炭添加量在0.15‰～0.95‰范围内增加时，超低度白酒的透光率随着活性炭的添加量的增加而升高；当活性炭添加量为0.95‰时，超低度白酒的透光率达到最高（93.56±0.9）%。当活性炭添加量为0.15‰～0.75‰时，感官评分随之逐渐增加；当活性炭添加量为0.55‰时，感官评分最高，为（93.36±0.21）分；当活性炭添加量＞0.55‰之后，感官评分逐渐减少。 由图2b可知，随着活性炭添加量的增加，其总酸、总酯及己酸乙酯损失量也随之增大，分别为（0.2±0.01）g/L、（0.4±0.02）g/L、（0.2±0.01）g/L，这是因为活性炭作为一种有效的吸附助剂，其吸附效果主要依赖于发生吸附作用的表面活性点位[22]，当添加量增加时，可供吸附的表面活性点位增多，吸附效果越好，香味损失量自然也越大[23]。 综合考虑，选择最适活性炭添加量为0.55‰。
2.1.3 静置吸附温度对浓香型超低度白酒品质的影响
静置吸附温度对浓香型超低度白酒透光率和感官评分以及总酸、总酯、己酸乙酯损失量的影响见图3。
图3 静置吸附温度对超低度白酒透光率和感官评分（a）及总酸、总酯及己酸乙酯损失量（b）的影响
Fig.3 Effect of standing adsorption temperature on transmittance,sensory score (a) and loss amount of total acid, total ester and ethyl hexanoate (b) of ultra-low alcohol strong-flavor Baijiu
由图3a可知，当静置吸附温度在-5～5 ℃范围内变化时，超低度白酒感官评分随着静置吸附温度的升高而不断增加；静置吸附温度为0～5 ℃时，超低度白酒感官评分呈现出下降的趋势；当静置吸附温度为15 ℃时，超低度白酒感官评分达到最高，为（83.76±0.20）分；这可能是由于低温状态下香味物质成分析出过多，从而导致过滤后的酒样感官评分下降。 当静置吸附温度＞15 ℃之后，超低度白酒感官评分趋近稳定。 超低度白酒透光率随着静置吸附温度在-5～15 ℃范围内的升高而呈现出不断下降的趋势，最低达到了（89.26±3.77）%。这是由于超低度白酒在降度过程中，酒中的一部分醇溶性物质（棕榈酸乙酯、油酸乙酯、亚油酸乙酯）析出，这部分醇溶性物质经过活性炭后被吸附[16]。而这些醇溶性物质受温度影响较大，当温度降低时会变得不稳定而呈现出絮凝现象[24]。由图3b可知，静置吸附温度对总酸、总酯以及己酸乙酯损失量的影响不大，损失都在（0.1±0.01）g/L以内。 说明-5～15 ℃温度条件下对酒中的游离酸和总酯影响不显著。综合考虑，选择最适静置吸附温度为5 ℃。
2.1.4 静置吸附时间对浓香型超低度白酒品质的影响
静置吸附时间对浓香型超低度白酒透光率和感官评分以及总酸、总酯、己酸乙酯损失量的影响见图4。
图4 静置吸附时间对超低度白酒透光率和感官评分（a）以及总酸、总酯及己酸乙酯损失量（b）的影响
Fig.4 Effect of static adsorption time on transmittance, sensory score(a) and loss amount of total acid, total ester and ethyl hexanoate(b) of ultra-low alcohol strong-flavor Baijiu
由图4a可知，超低度白酒的感官评分随着静置吸附时间在5～25 h范围内的延长而呈现先增加后下降的趋势。当静置吸附时间为5～20 h时，超低度白酒感官评分随之升高；当静置吸附时间为20 h时，超低度白酒感官评分达到最高，为（83.66±0.66）分；当静置吸附时间＞20 h之后，超低度白酒感官评分有所下降。 当静置吸附时间为5～15 h时，透光率随之升高；当静置吸附时间为15 h时，透光率最高，为（91.25±0.66）%；当静置吸附时间为15～20 h时，透光率有所下降；当静置吸附时间＞20 h之后，透光率稍微有所上升。 由图4b可知，但总酸、总酯、己酸乙酯损失量随着超低度白酒静置吸附时间的延长而大幅增加。综合考虑，选择最适静置吸附时间为20 h。
2.2.1 Box-Behnken试验设计及结果
根据单因素试验结果，基于Box-Behnken中心组合设计原理[25]，选择活性炭孔目数（A）、活性炭添加量（B）、静置吸附温度（C）、静置吸附时间（D）为自变量，以透光率（Y1）、感官评分（Y2）为响应值，通过Design-Expert 13.0软件设计4因素3水平Box-Behnken试验优化浓香型超低度白酒活性炭除浊工艺，Box-Behnken试验设计及结果见表3，方差分析结果见表4。
表3 浓香型超低度白酒活性炭除浊工艺优化Box-Behnken试验结果
Table 3 Results of Box-Behnken experiments for turbidity removal process optimization of ultra-low alcohol strong-flavor Baijiu
序号 A 活性炭孔目数/目B 活性炭添加量/‰C 静置吸附温度/℃D 静置吸附时间/h Y1透光率/%Y2感官评分/分1234567891 0 10 50551 051 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 300 200 300 300 300 300 300 300 300 300 200 400 200 300 200 400 400 300 300 300 400 200 300 400 300 300 300 200 300 0.55 0.35 0.55 0.55 0.35 0.35 0.55 0.75 0.55 0.35 0.55 0.55 0.55 0.75 0.55 0.55 0.35 0.55 0.75 0.55 0.55 0.55 0.75 0.55 0.55 0.35 0.55 0.75 0.55 0 0555 1 005551 0550051 05 055 1 0 15 20 25 20 25 20 20 20 15 15 25 25 20 20 15 15 20 25 25 20 20 20 15 20 20 20 20 20 15 87.65 87.95 86.65 95.35 90.36 89.65 94.86 90.65 88.96 89.60 89.23 89.65 89.64 90.20 90.61 88.36 89.98 86.64 90.20 93.64 90.38 88.97 90.20 90.60 94.65 88.41 92.33 90.60 87.65 85.65 82.32 85.69 92.00 85.63 84.23 89.89 83.52 86.00 85.64 82.98 85.41 83.54 85.64 84.34 83.99 83.00 83.97 82.65 89.99 82.96 82.87 83.54 83.21 90.36 84.34 91.35 84.66 85.65
表4 以透光率和感官评分为响应值的回归模型方差分析
Table 4 Variance analysis of regression model using transmittance and sensory score as response values
方差来源模型ABCD Y1/Y2平方和 自由度 均方 F 值 P 值 显著性112.40/194.27 0.229 6/0.273 0 2.60/0.120 0 0.132 3/0.952 0 0.585 2/0.667 4 14/14 1/1 1/1 1/1 1/1 8.03/13.88 0.229 6/0.273 0 2.60/0.120 0 0.132 3/0.952 0 0.585 2/0.667 4 5.16/11.17 0.147 7/0.219 7 1.67/0.096 6 0.085 1/0.766 1 0.376 3/0.537 1 0.000 1/0.000 1 0.706 6/0.646 5 0.216 6/0.760 6 0.774 8/0.396 2 0.549 4/0.475 7**/**
续表
注：“*”表示对结果影响显著（P＜0.05）；“**”表示对结果影响极显著（P＜0.01）。
方差来源AB AC AD BC BD CD A2 B2 C2 D2残差失拟项纯误差总离差Y1/Y2平方和 自由度 均方 F 值 P 值 显著性2.16/0.483 0 0.050 6/0.044 1 1.78/1.93 0.156 0/1.01 0.144 4/0.193 6 0.422 5/0.469 2 25.78/109.61 20.20/73.86 54.59/60.81 55.96/43.12 21.77/17.4 16.01/14.01 5.77/3.39 134.17/211.66 1/1 1/1 1/1 1/1 1/1 1/1 1/1 1/1 1/1 1/1 14/14 10/10 4/4 28/28 12.12/0.483 0 0.050 6/0.044 1 1.78/1.93 0.156 0/1.01 0.144 4/0.193 6 0.422 5/0.469 2 25.78/109.61 20.20/73.86 54.59/60.81 55.96/43.12 1.56/1.24 1.60/1.40 1.44/0.846 7 8.56/0.388 7 0.032 6/0.035 5 1.15/5.29 0.100 3/0.812 8 0.092 9/0.155 8 0.2717/0.377 6 16.57/88.20 12.99/59.44 35.10/48.94 35.98/34.70 0.046 5/0.543 0 0.859 4/0.853 3 0.302 5/0.042 9 0.756 1/0.382 5 0.765 1/0.699 0 0.610 3/0.548 8 0.001 1/0.000 1 0.002 9/0.000 1 0.000 1/0.000 1 0.000 1/0.000 1*//***/****/****/****/**1.11/1.65 0.500 8/0.331 5
采用Design-Expert 13.0软件分析表3数据，分别得到以透光率（Y1）和感官评分（Y2）为响应值的多元二次回归方程如下：
由表4可知，二次回归模型P值＜0.001，极显著，失拟项P值=0.500 8＞0.05，不显著，表明该模型可靠。模型的决定系数R2=0.995 6，说明99.56%结果可用该模型解释；调整决定系数R2adj=0.987 7，模型的变异系数（coefficient of variation，CV）=0.55%，说明该模型精确度高，误差小，模型预测值与实际值的拟合度较高。
由回归模型F值可知，4个因素对超低度白酒透光率影响大小顺序为：活性炭添加量（B）＞静置吸附时间（D）＞活性炭孔目数（A）＞静置吸附温度（C）。 由P值可知，交互项AB对超低度白酒透光率影响显著（P＜0.05），二次项A2、B2、C2、D2对超低度白酒透光率影响极显著（P＜0.01），其他项对超低度白酒透光率影响不显著（P＞0.05）。
由表4亦可知，模型P值＜0.000 1，极显著（P＜0.01）；失拟项P值=0.331 5＞0.05不显著，说明该模型高度可靠。模型的决定系数R2=0.996 7，说明99.67%结果可用该模型解释；调整决定系数R2adj=0.988 8，模型的变异系数（CV）=0.58%，表明模型精密度和准确度均较高。由回归模型F值可知，4个因素对超低度白酒感官评分影响大小顺序为：静置吸附温度（C）＞静置吸附时间（D）＞活性炭孔目数（A）＞活性炭添加量（B）。由P值可知，交互项AD对感官评分的影响显著（P＜0.05），二次项A2、B2、C2、D2对感官评分的影响极显著（P＜0.01），其他项对超低度白酒感官评分影响不显著（P＞0.05）。
2.2.2 各因素交互作用对超低度白酒透光率及感官评分影响的响应面分析
两因素交互作用对结果影响的响应面越陡峭，等高线越接近椭圆形，表明二者交互作用对结果影响越显著；反之，两因素交互作用对结果影响的响应面越平缓，等高线越接近圆形，表明二者交互作用对结果影响越不显著[25-26]。各因素交互作用对超低度白酒透光率和感官评分影响的响应面及等高线分别见图5与图6。
图5 各因素间交互作用对浓香型超低度白酒透光率影响的响应面及等高线
Fig.5 Response surface plots and contour lines of effects of interaction between various factors on transmittance of ultra-low alcohol strong-flavor Baijiu
图6 各因素交互作用对超低度白酒感官评分影响的响应面及等高线
Fig.6 Response surface plots and contour lines of effects of interaction between various factors on sensory score of ultra-low alcohol strong-flavor Baijiu
由图5可知，活性炭孔目数（A）与活性炭添加量（B）间交互作用对透光率影响的响应面为凸面，等高线呈椭圆形，说明两者间交互作用对浓香型超低度白酒透光率的影响显著（P＜0.05），其他各因素交互作用对透光率影响的响应面坡度较平缓，等高线呈圆形，均不显著（P＞0.05）。这与表4中方差分析结果一致。
由图6可知，活性炭孔目数（A）与活性炭添加量（D）间交互作用对感官评分影响的响应面为凸面，等高线呈椭圆形，说明两者间交互作用对浓香型超低度白酒感官评分的影响显著（P＜0.05），其他各因素交互作用对感官评分影响的响应面坡度较平缓，等高线呈圆形，均不显著（P＞0.05）。这与表4中方差分析结果一致。
2.2.3 验证试验
通过Design-Expert 13.0软件运行结果，通过模型拟合进行最优值进行分析，浓香型超低度白酒最佳活性炭除浊工艺条件为：活性炭孔目数387.55目，活性炭添加量为0.539 1‰，静置吸附温度为5.03 ℃，静置吸附时间为20.32 h。在此条件下，浓香型超低度白酒透光率和感官评分理论值分别为91.573%，86.648分。考虑实际操作可行性，将超低度酒最佳活性炭除浊工艺条件修正为：活性炭孔目数400 目，活性炭添加量0.54‰，静置吸附温度5 ℃，静置吸附时间20.3 h。在此最佳条件下，进行3次平行验证试验，得到超低度白酒的透光率实际值为（92.35±1.60）%、感官评分实际值为（87.36±1.80）分，与预测值接近。因此，通过响应面试验模型优化超低度白酒酒后处理工艺的各因素结果准确可靠，具有一定的实际应用价值。
在单因素试验的基础上采用响应面法对浓香型超低度白酒活性炭除浊工艺条件进行优化，结果表明，最佳除浊工艺条件为：活性炭孔目数400目，活性炭添加量0.54‰、静置吸附温度5 ℃、静置吸附时间20.3 h。在此优化条件下，浓香型超低度白酒酒体外观无色透明、窖香突出、酒体干净、风格典型，其透光率为92%、感官评分为87分。 本研究为浓香型超低度白酒（低于25%vol）产品研发提供理论基础，丰富了白酒在酒度上的种类，提高了优质白酒的利用价值，具有良好的开发和应用前景。
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