全 文 ：第 15 卷 第 1 期 北华大学学报(自然科学版) Vol． 15 No． 1
2014 年 2 月 JOUＲNAL OF BEIHUA UNIVEＲSITY(Natural Science) Feb． 2014
文章编号:1009-4822(2014)01-0116-06 DOI:10． 11713 / j． issn． 1009-4822． 2014． 01． 029
黑果腺肋花楸果酒澄清处理及稳定性研究
王 鹏，马兴华，韩文忠，姜镇荣，赵明优，马艳丽
(辽宁省干旱地区造林研究所，辽宁 朝阳 122000)
摘要:根据黑果腺肋花楸果酒内溶物沉降特点，利用离心沉降及自然沉降力学推导出两者沉降时间的关系，建立
离心-自然沉降数学模型．利用这一模型测算出黑果腺肋花楸果酒稳定性发生变化的时间，并通过试验得出澄清
处理的最佳工艺．结果表明:明胶、蛋清、壳聚糖都能够在一定程度上对黑果腺肋花楸果酒进行澄清;通过建立沉
降数学模型，得出自然沉降总时间与离心加速沉降时间及离心角速度之间的关系式;通过此模型进一步推算出
经澄清剂处理后黑果腺肋花楸果酒保持酒体稳定的时间．综合考虑确定最佳工艺:明胶作为澄清剂最为适宜，使
用量为 0． 4%，酒体稳定性保持时间约为 1 a，比原酒的稳定性提高近 10 倍．
关键词:黑果腺肋花楸果酒;澄清处理;稳定性;离心-自然沉降
中图分类号:S38;TS26 文献标志码:A
收稿日期:2013-11-19
基金项目:国家“948”项目(2001-51)后期推广应用．
作者简介:王 鹏(1979 －)，男，工程师，硕士，主要从事可食林产品加工研究;
通信作者:马艳丽(1978 －)，女，高级工程师，主要从事林业生理生化研究．
On Clarification Treatment and Stability of Aronia melanocarpa Wine
WANG Peng，MA Xing-hua，HAN Wen-zhong，JIANG Zhen-rong，Zhao Ming-you，MA Yan-li
(Liaoning Province Institute of Forestation in Arid Ｒegions，Chaoyang 122000，China)
Abstract:According to sedimentary characteristics of dissolved materials of Aronia melanocarpa wine，the relation
of setting time between centrifugal sedimentation and natural sedimentation is derived，and the mathematical
model of centrifugal-natural sedimentation is established through the mechanical knowledge about centrifugal and
natural sedimentation． The changed time of Aronia melanocarpa wine stability is inferred by using this model． And
the optimal process of clarification with the experiment is obtained． The result indicates that gelatin，egg white，
chitosan can clarify Aronia melanocarpa wine to a certain extent;through establishment of the sedimentation
mathematical model，the relationship among natural sedimentation total time，centrifugal sedimentation time and
angular speed is obtained;the stable time of Aronia melanocarpa wine after being clarified is calculated through
this model． According to comprehensive consideration，it is the most suitable to chose gelatin as clarifying agent，
and the dosage is 0． 4% ． Aronia melanocarpa wine remains stability for about one year，which increases nearly ten
times than the stability of original wine．
Key words:Aronia melanocarpa Wine;clarification treatment;stability;centrifugal-natural sedimentation
黑果腺肋花楸(Aronia melanocarpa)属于蔷薇科落叶灌木，原产于北美［1］，20 世纪 90 年代初期引入我
国．黑果腺肋花楸富含多酚类物质，其中，花青素含量高达 1%左右，类黄酮化合物为 0． 25% ～ 0． 35%，总
酚含量达 2． 5% ～3． 5%［2］．这些物质对防治高血压、动脉粥样硬化、冠心病等心脑血管疾病具有特殊的效
果，并具有抗癌、抗衰老和提高免疫力等功能［3-5］．但是，因其涩味较重，不宜被消费者直接食用，因此果实
深加工成为黑果腺肋花楸产业发展的必要环节．在黑果腺肋花楸果酒中，果实内固有的功能成分能够较好
地保持活性，且食用方式能够满足消费者的需要，产品附加值大幅度增加［6］． 因此，果酒加工是黑果腺肋
花楸产业体系建设过程中实现果实深加工很好的切入点．
榨汁后黑果腺肋花楸果实中的多酚类物质、果胶、少量蛋白及半纤维素等会存在于果汁中，这使得黑
果腺肋花楸果汁在经过发酵后仍然有较浓的涩味，且极不稳定．自然沉降可以使这些物质缓慢沉降下来，
但是沉降周期较长［7］．同时，自然沉降后的果酒在放置一段时间后，容器底部仍然有大块沉淀，稳定性不
佳．本试验通过选择合适的澄清剂及用量，使这些物质快速沉降［8-10］，并通过离心沉降的方法建立离心-自
然沉降模型，评价黑果腺肋花楸果酒的稳定性．
1 材料与方法
1． 1 试验材料
1． 1． 1 原料及试剂
黑果腺肋花楸果实:辽宁省干旱地区造林研究所提供;酿酒活性干酵母:广东丹宝利酵母有限公司;偏
重亚硫酸钠:分析纯，天津博迪化工有限公司;蔗糖:分析纯，沈阳瑞丰精细化学品有限公司;明胶:食品级，
天津市标准科技有限公司;壳聚糖:食品级，山东奥康生物科技有限公司;氯化钠:分析纯，沈阳瑞丰精细化
学品有限公司;柠檬酸:食品级，苏州锦联化工有限公司．
1． 1． 2 仪器与设备
多功能榨汁机、电子天平、恒温培养箱、紫外-可见分光光度计、台式低速离心机、浊度仪．
1． 2 研究方法
1． 2． 1 最大吸收波长测定
利用紫外-可见分光光度计，在 190 ～ 800 nm 波长范围内对黑果腺肋花楸果酒进行扫描，得出吸光度
随波长变化的曲线，确定黑果腺肋花楸果酒的最大吸收波长．
1． 2． 2 澄清处理
明胶澄清试验［11-12］:配制浓度为 20%的明胶溶液，以不同添加量处理黑果腺肋花楸果酒．静置 5 d后，
取上清液，并在最大吸收波长下测定其吸光度．
蛋清澄清试验［13］:配制浓度为 10%的蛋清溶液，以不同添加量处理黑果腺肋花楸果酒．静置 5 d 后，
取上清液，并在最大吸收波长下测定其吸光度．
壳聚糖澄清试验［14-16］:配制 1%壳聚糖溶液，以不同添加量处理黑果腺肋花楸果酒．静置 5 d 后，取上
清液，并在最大吸收波长下测定其吸光度．
1． 2． 3 沉降数学模型建立
在酒液中，胶体颗粒处于悬浮状态，并缓慢聚集．当胶体颗粒聚集到一定程度时，将打破此前的悬浮状
态，慢慢沉降下来．同时，胶体颗粒在沉降过程中还会彼此碰撞、凝聚，形成更大的絮状沉淀．因此在这个过
程中，盛酒容器底部出现沉淀的时间等于胶体颗粒形成时间与沉降时间之和，即 t = t0 + t1，其中:t为颗粒
形成与沉降总时间;t1 为颗粒自然沉降时间;t0 为颗粒的形成时间．
未澄清的黑果腺肋花楸果酒会在大约一个月后出现沉淀．因此，试验周期较长．为了缩短试验周期，提
高试验数据获取效率，本试验采用了离心加速沉降的方法． 根据颗粒自由沉降理论及 Navier-Stokes 方
程［17-18］，颗粒在自然沉降中的速度与颗粒密度、直径及液体密度有关，可表达为
v1 =
d21(l2 － l1)g
18μ
， (1)
s1 = v1 t1， (2)
其中:v1 为自然沉降速度;l2 为颗粒沉淀密度;d1 为自然沉降颗粒临界直径;l1 为果酒的密度;g为重力加速
度;μ为水的动力黏度;s1 为自然沉降距离．
离心加速沉降时，当离心力与液体阻力相等时颗粒处于运动的临界状态(假设颗粒为球形)［18-19］，此时:
711第 1 期 王 鹏，等:黑果腺肋花楸果酒澄清处理及稳定性研究
mω2 r = 12 CdAsl1v
2
2， (3)
s2 = v2 t2， (4)
m = l2V， (5)
V /As =
2
3 d2， (6)
其中:m为颗粒的质量;ω为离心角速度;r为离心半径;Cd为牛顿阻力系数;As为颗粒垂直于运动方向的投
影面积;v2为离心沉降平均速度;s2为离心沉降距离;t2为离心沉降时间;V为颗粒的体积;d2为离心沉降颗
粒临界直径．
在颗粒形成初期，可认为颗粒均匀分布于酒液中，此时 l1 = l2 ．当颗粒密度逐渐增大到一定量时，颗粒
突破液体阻力的束缚开始沉降，此后颗粒的密度基本保持不变，体积继续增大，其增加程度与时间及其表
面积有关，故可得
Vdt = ξ· Adt·Δt， (7)
其中:ξ为修正系数，常数;A为颗粒表面积;Δt为体积变化的时间．在无任何外界干扰条件下，则有
V1 /V2 =
A1 t
A2(t0 + t2)
， (8)
其中:V1 为颗粒自然沉降临界体积;V2 为颗粒离心沉降临界体积;A1 为颗粒自然沉降临界表面积;A2 为颗
粒离心沉降临界表面积．
由于 t0  t2，因此，t0 + t2 ≈ t0，因此
t
t0
=
d1
d2
． (9)
由式(1)～ (9)整理得
t2(t － t0)=
l2ω
2 rt22 t0
Cdl1 s
2
2
2
·
32μs1
(l2 － l1)g
．
这样就可以根据离心加速沉降时间 t2 推算出自然沉降时间 t，从而减少了试验周期．
1． 2． 4 相关参数测定
自然沉降的距离 s1、离心加速沉降的距离 s2、离心加速沉降的离心半径 r可直接由量尺测出，取有效长
度的平均值．
果酒密度的测定:准确称量待做澄清试验的果酒 100 mL，在 20 ± 1 ℃的恒温培养箱中放置 30 min，取
出后立即在精度为 0． 1 mg的电子天平上称重，并计算果酒的密度，多次试验取平均值，误差小于 1% ．
沉淀密度的测定:将一定量的果酒装入刻度试管中，放置一段时间，使其刚好产生部分絮状沉淀，分离
上清液，通过试管上的刻度读取絮状沉淀的体积．在 20 ± 1 ℃的恒温培养箱中放置 30 min，取出后立即在
精度为 0． 1 mg的电子天平上称重，计算沉淀的密度，多次试验取平均值，误差小于 1% ．
1． 2． 5 沉降模型相关性分析
以不同浓度(添加量 0． 01% ～0． 1%)明胶处理黑果腺肋花楸原酒，使其内溶物发生变化，然后过滤，
滤液置于常温下自然沉降．当酒体浊度发生变化时，每天取样进行离心，转速为 100 r /min，时间为 2 min．
待离心后明显有沉淀聚集时再次取样离心，并记录 t0，t2 数据，待自然沉降有明显沉淀聚集时，记录 t．
1． 2． 6 稳定性测定
将经不同澄清剂处理的样品置于常温下自然沉降，测定 t0，t2，并根据沉降模型计算 t．
2 结果及分析
2． 1 澄清处理
2． 1． 1 黑果腺肋花楸果酒最大吸收波长的测定
在 190 ～ 800 nm内黑果腺肋花楸果酒吸光度随波长变化的曲线见图 1．由图 1 可知:黑果腺肋花楸果
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酒在波长 420 nm处有最大吸光度，因此选择 420 nm作为测定澄清性和稳定性的特征波长．
2． 1． 2 明胶溶液的澄清效果
明胶溶液对黑果腺肋花楸果酒的澄清效果见图 2．由图 2 可以看出:当明胶溶液加入量 ＜ 2． 0%时，吸
光度迅速下降，此时果酒中不稳定内溶物被沉降;当明胶溶液加入量在 2． 0% ～ 4． 0%时，吸光度停止下
降，并略有上升，此时明胶溶液已经足量;当继续添加明胶溶液时，吸光度开始迅速下降，此时过量的明胶
分子将结合果酒中的色素类化合物，并迅速沉降．综上分析可知:20%明胶溶液的最佳处理浓度为 2． 0% ．
图 1 黑果腺肋花楸果酒的全波长扫描
Fig． 1 Full wavelengths scan of Aronia melanocarpa wine
图 2 明胶加入量对吸光度的影响
Fig． 2 Effects of gelatin addition on absorbance
2． 1． 3 蛋清溶液的澄清效果
蛋清溶液对黑果腺肋花楸果酒的澄清效果见图 3．由图 3 可以看出:当蛋清溶液的处理浓度≤1． 5%
时，果酒的吸光度呈下降趋势，这说明此时蛋清溶液促使果酒中的不稳定内溶物沉降;当蛋清溶液的处理
浓度 ＞ 1． 5%时，果酒的吸光度开始升高，说明此时蛋清溶液已经过量，使得果酒的吸光度略有增加．因此，
蛋清溶液的最佳处理浓度为 1． 5% ．
2． 1． 4 壳聚糖的澄清效果
壳聚糖对黑果腺肋花楸果酒的澄清效果见图 4．由图 4 可以看出:当壳聚糖溶液的处理浓度≤2%时，
果酒的吸光度迅速下降，此时果酒中的不稳定内溶物被沉降．随着壳聚糖加入量的增大，果酒的吸光度逐
渐变小，但当壳聚糖处理浓度 ＞ 2%时，果酒的吸光度变化很小，这是因为当壳聚糖过量时，由于壳聚糖溶
液的吸光度很小，过量的壳聚糖对果酒的影响相对较小，果酒的吸光度变化不明显．综上可知:壳聚糖溶液
的最佳处理浓度为 2% ．
图 3 蛋清溶液加入量对吸光度的影响
Fig． 3 Effects of egg white addition on absorbance
图 4 壳聚糖加入量对吸光度的影响
Fig． 4 Effects of chitosan addition on absorbance
表 1 稳定性相关参数的测定结果
Tab． 1 Determination results of parameters on stability
名称 结果
自然沉降距离 S1 /m 0． 151
离心沉降距离 S2 /m 0． 112
离心沉降的有效离心半径 r /m 0． 101
果酒密度(20 ℃)l1 /(kg·L
－1) 1． 001 9
沉淀密度(20 ℃)l2 /(kg·dm
－1) 1． 002 8
2． 2 稳定性
2． 2． 1 有关参数
稳定性相关参数的测定结果见表 1．
2． 2． 2 沉降数学模型的建立
离心沉降时，根据颗粒沉降牛顿阻力系数变化
表［17］查得 Cd 值为 12;g为 9． 81 N /kg;查得 20 ℃ 时，μ
为 1． 01 kg /(m·s)．自然沉降时间与离心加速沉降时
911第 1 期 王 鹏，等:黑果腺肋花楸果酒澄清处理及稳定性研究
间的关系式为
t2(t － t0)= 3． 96 × 10
－8 t20(ωt2)
4， (10)
其中:ω = 2πn(n为转速)．当 n = 100 r /min时，经整理及单位换算得
t2(t － t0)= 4． 75 × 10
－4 t20 t
4
2， (11)
其中:t，t0 单位为 d，t2 单位为 s．
2． 2． 3 沉降模型相关性分析
在转速 n = 100 r /min时，测定 t实际值、t0及 t2，并得出 t实际值、t计算值与 t2的线性回归方程及相关
系数，结果见图5与图6．由图5与图6可知:两个回归方程的线性相关系数分别为0． 931 0与0． 977 0，且斜
率与截距基本相等，因此用式(11)来推测 t值的可信度较高．
图 5 t实际值与 t2 之间的关系
Fig． 5 Ｒelationship between actual value t and t2
图 6 t计算值与 t2 之间的关系
Fig． 6 Ｒelationship between calculation value t and t2
2． 2． 4 不同澄清方法的稳定性对比
表 2 不同澄清方式的稳定性对比
Tab． 2 Comparison of different clarification
methods on stability
澄清剂 t0 /d t2 /s t /d
明胶 152 35 317
蛋清溶液 13 15 22
壳聚糖 152 40 355
利用离心加速方法处理澄清后的果酒，测定 t0，
t2，并根据式(11)推算
［20-21］ 稳定性． 不同澄清方式的
稳定性结果见表 2．从表 2 可以看出:壳聚糖和明胶处
理黑果腺肋花楸果酒时，稳定时间分别是 355 d 与
317 d，两者差别不大，但明显好于蛋清溶液．考虑到壳
聚糖价格较高，且壳聚糖水溶液偏碱性，在澄清过程中
能够改变酒液的 pH，使得酒液色泽变暗．因此，综合考
虑，应选择明胶溶液作为黑果腺肋花楸果酒的澄清剂．
3 结论与讨论
综合上述试验及结果分析得出如下结论:
在澄清处理与稳定性的试验中，所研究的 3 种澄清剂都能够在一定程度上对黑果腺肋花楸果酒进行
澄清．其中，20%明胶溶液的最佳处理浓度为 2． 0%，即明胶使用量为 0． 4%;10%蛋清溶液的最佳处理浓度
为 1． 5%，即蛋清使用量为 0． 15%;1%壳聚糖溶液的最佳处理浓度为 2%，即壳聚糖使用量为 0． 02% ．
通过建立沉降数学模型得出自然沉降总时间 t与离心加速沉降时间 t2及离心角速度ω之间的关系，即
t2(t － t0)= 3． 96 × 10
－8 t20(ωt2)
4(见式(10)) ，此模型可以进一步应用于其他澄清剂或者澄清方法对黑果
腺肋花楸果酒稳定性影响的研究．通过此模型可以推算出当以明胶、蛋清溶液、壳聚糖作为澄清剂时，黑果
腺肋花楸果酒保持稳定的时间分别为 317，22，355 d． 综合考虑，选择明胶作为澄清剂最合适，使用量为
0． 4% ．处理后的黑果腺肋花楸果酒稳定性保持时间约为 1 a，比原酒的稳定性提高近 10 倍．
与其他果酒相比，黑果腺肋花楸果酒的稳定性还不够好，保质期还不够长，这是因为澄清处理后的黑
果腺肋花楸果酒中多酚类物质含量仍然较高，干浸出物可达 60 g /L 以上．过度的下胶澄清使黑果腺肋花
楸果酒丧失了原有的功能性．因此，在现有澄清处理的基础上，寻找保持黑果腺肋花楸果酒稳定的试剂或
技术是进一步改良其稳定性所要研究的课题．
021 北华大学学报(自然科学版) 第 15 卷
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