（环境工程专业论文）微滤技术在啤酒工艺中对挥发性成份的影响研究.pdf

摘要 采用膜分离技术实现啤酒行业的清洁生产，具有独特的魅力和广阔的应用 前景。本论文以微滤处理啤酒模拟溶液和啤酒发酵液为体系，以微滤过程中， 不同膜材料在不同条件对啤酒中低温挥发性成份的影响为中心，重点研究了在 微滤过程中，膜污染对啤酒中低温挥发性成份的影响，主要是对高级酯以及高 级醇等啤酒主要挥发性成份的影响。 首先，考察了微滤膜在静态实验和动态实验中对啤酒中低温挥发性成份的 影响。结果表明：孔径为0 2 2 岬和0 4 5 9 m 的微滤膜在静态条件下和动态条件 下，对低温挥发物有一定的吸附，不同的膜材质对啤酒中的低温挥发性成分的 吸附效果也有所差别。但是微滤膜的这种吸附比较小。 其次，主要研究了蛋白质污染对啤酒中主要低温挥发性成份的影响。结果 表明：在调节溶液p h 值为4 5 时，经过微滤处理，啤酒中低温挥发物的损失量 最大。在一定p h 值的条件下，溶液中蛋白质的浓度对低温挥发物有一定影响， 蛋白质的浓度越高，对低温挥发物的吸附量越大。 第三，考察了微滤膜处理啤酒发酵液时，膜材质和膜孔径对啤酒中低温挥 发物的影响。对于孔径为0 2 2 有机微滤膜，孑l 径为o 2 2 9 m 四组微滤膜过滤 效果顺序由好到坏为：c n c a p e s n 6 p v d f 。孔径为0 4 5 四组微滤膜过 滤效果顺序由好到坏为：p e s c n c a n 6 p v d f 。 第四，本论文中，研究了采用毛细血管气相色谱分析测定啤酒中具有香味 的低温挥发物的方法。以高纯氮气作为载气，结合自动顶空进样技术，对啤酒 中6 种主要挥发性组分进行了定性和定量分析，此方法具有良好的重现性。 关键字： 微滤，啤酒，低温挥发性成份，顶空进样技术，气相色谱 a b s t r a c t m i c r o f i l t r a t i o n0 f e e r sa na t t r a c t i v ea l t e r n a t i v em e t h o df o rc l e a n i n gp r o d u c ti nb e e r i n d u s t r y ，t h i sp a p e rm a i n l yr e p o r to nt h ec o n c e n t r a t i o n sc h a n g eo fv o l a t i l e si n s i m u l a t ea n dr o u g hb e e ri nt h ep r o c e s so f m i c r o f i l t r a t i o n f i r s , i t c o u l db eo b t a i n e df r o mt h es t a t i ca d s o r p t i o n e x p e r i m e n t s a n d d y n a m i ce x p e r i m e n t st h a tm e m b r a n em a t e r i a l sa n dp o r es i z eo fm e m b r a n eh a v e s o m ea d s o r p t i o no fb e e rv o l a t i l e sa n dd i f f e r e n tm e m b r a n eh a v ed i f f e r e n ta b s o r p t i o n a m o u n to fv o l a t i l e s s e c o n d l y , r e s e a r c hr e s u l t si n d i c a t et h a tp r o t e i n sp o l l u t i o nc a nm a k es o m ei n f l u e n c e o nv o l a t i l e so nt h ec o u r s eo f m i e r o f i l t r a t i o n t h em o u n to f v o l a t i l e sw i l lb el o s tm o s t a f t e rm i c r o f i r r a t i o ni n4 5p hv a l u ei nc o n t r a s tt oo t h e rp hv a l u e s f u r t h e r m o r e ， h i g h e rp r o t e i nc o n c e n t r a t i o nc a nr e s u l tt om o r el o s so f v o l a t i l e sb e c a u s em o r ep r o t e i n c o n c e n t r a t i o nw i l lb r i n gm o r em e m b r a n ep o l l u t i o n t h i r d l y , m e m b r a n em a t e r i a l sa n dm e m b r a n ep o r es i z e w i l lh a v eac o n s i d e r a b l e i n f l u e n c em i c r o f i l t r a t i o nr e s u l t si nt h ee x p e r i m e n to fr o u g hb e e r e x p e r i m e n td a t a o b t a i nt h a tt h ec n - c am e m b r a n ei st h eb e s tm e m b r a n ei np r o c e s so fd e a l i n gw i t l l t h er o u g hb e e ra m o n go 2 2 1 a mm i c r o f i l t r a t i o nm e m b r a n e f o ro 2 2 i _ t mm i c r o f i l t r a t i o n m e m b r a n e ，t h eo r d e rf r o mg o o dt ob a di sc n c a ) p e s n 6 p v d f f o r0 4 5 9 m m i c r o f i l t r a t i o nm e m b r a n e ，t h eo r d e rf r o mg o o dt ob a di sp e s c n c a ) n 6 ) p v d f f o u r t h l y ，am e t h o di sd e s c r i b e dt oa n a l y z ea n dq u a n t i f yt h ev o l a t i l e si nb e e rb y c a p i l l a r yg c w i t ha u t o - h e a d s p a c es a m p l i n gu s i n gp u r en 2a sc a r r i e rg a s t h em e t h o d c a l lb eu s e dq u a l i t a t i v e l ya n dq u a n t i t a t i v e l yf o rt h ed e t e r m i n a t i o no fs i xm a i nf l a v o r c o m p o u n d sw i t hg o o dr e p e a t a b i l i t y ， k e y w o r d s ：m i c r o f i l t r a t i o n ，b e e lv o l a t i l e s ，h e a d s p a c es a m p l i n g ，g a sc h r o m a t o g r a p h y i i 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间： 年月h 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下 内部5 年( 最k5 年，川少- j 二5 年) 秘密- k 1 0 年( 最kl0 年，可少1 ：1 0 年) 机密- , k 2 0 年( 最k2 0 年可少j ：2 0 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 第一章概论 第一章概论 膜分离技术作为一种分离、浓缩、提纯及净化的新型高效的技术，已经广 泛的应用于食品工业、环境保护、医药、化工等行业，成为解决当代人类面临 的能源、资源、环境等重大问题的主要技术之一，也是本世纪最有发展前途的 高新技术之一。但膜分离过程中产生的膜污染会导致分离效率降低、渗透通量 下降等问题，这些问题存在严重限制膜分离技术的推广应用。啤酒作为一种饮 料，其组成成份相当复杂，传统的啤酒过滤工艺需要消耗大量的硅藻土作为澄 清助剂，生产1 吨啤酒就大约要消耗1 5 2 0 k g 硅藻土，全世界每年用于啤酒过 滤澄清处理使用的硅藻土有2 4 5 3 3 7 万吨，我国每年用于啤酒行业的硅藻土就 需要4 6 万吨“1 ，废弃的硅藻土作为固体废物，对环境会产生一定的影响，同 时硅藻土作为硅质颗粒，对人体是有害的，特别是吸入体内后。另外，巴氏杀 菌和高温瞬时杀菌是提高啤酒品质期的常用方法，这种杀菌方法需要的高温条 件会对鲜啤酒口味和营养产生破坏。微滤技术作为一种技术比较成熟，应用广 泛的分离技术，不仅可以取代传统的啤酒发酵液过滤工艺，消除使用硅藻土澄 清助剂所带来的对环境和人体的危害，同时可以实现低温除菌，消除高温对啤 酒风味的影响。在啤酒工业中使用微滤技术可以达到经济效益、环境效益的双 赢。 本论文以微滤处理啤酒模拟溶液和啤酒发酵液为体系，以微滤过程中，不 同微滤膜材料在不同条件对啤酒中低温挥发性成份的影响为中心，重点研究了 在微滤处理过程中，膜污染对啤酒中低温挥发性成份的影响，主要是高级酯以 及高级醇等啤酒主要成份变化。另外，鉴于在国内，啤酒作为饮料酒，其风味 特征主要通过感官品尝进行评价。随着啤酒生产规模化、集团化发展，仅靠专业 评酒人员进行感官品尝，难以达到控制产品品质的目的。本实验在对啤酒低温挥 发物进行定量时采用了顶空一气相色谱分析法，给出t n 定啤酒低温挥发性成 份的顶空和气相色谱实验条件。 第一章概论 第一节膜分离技术原理 膜分离技术在2 0 0 多年就已经发现，在1 8 世纪中叶，已经有人观察了和研 究了膜现象，但是那时只是涉及膜的屏障性质及相关现象，而没有涉及技术及 工业应用”3 。2 0 世纪6 0 年代以后，随着材料科学与膜制备工艺的发展，膜分离 得到了快速的发展，同时膜分离技术也得到了广泛的工业应用，特别是在常规 方法不能经济、合理分离的场合，膜分离过程可以作为一种分离技术而特别适 用。可以说，膜分离过程已经成为解决当代能源、资源、环境污染问题的重要 高新技术及可持续发展技术的基础“1 。美国、日本等国家均把膜技术作为2 l 世纪基础技术进行研究与开发，并在其官方文件中明确指出：“2 1 世纪的多数工 业中，膜过程扮演着战略角色”“。 1 1 1 膜分离技术理论基础 膜分离技术是利用天然或人工合成的，具有选择透过性的薄膜，可以对多 种组分的液体或固体进行分离、分级、提纯、或富集的过程。优点是在过程中 一般没有相变，分离系数大、节能、高效、环保。目前，已经得到应用的膜分 离过程主要有微滤、超滤、纳滤、反渗透等。各种膜分离方法及应用范围，详 见表1 1 。 在膜分离技术以外还有很多分离技术在生产中得到广泛的应用，如：蒸馏、 吸附、萃取等，与这些传统的分离方法相比，膜分离技术具有其许多独特的优 点：1 、膜分离过程一个高效的分离的过程，可实现连续分离；2 、过程能耗通 常比较低；3 、分离效率比较高；4 、易与其它分离过程结合( 联合过程) ；5 、 可在温和条件下实现分离；6 、易于放大；7 、膜的性能可以调节、8 、不需要填 加物。因此，膜分离技术特别适用于食品加工、医药工业和生物技术等领域。 事实上，膜分离技术也存在一定的问题：1 、膜污染和浓差极化现象的发生，会 使膜性能的下降，因此需要相应的清洗方法；2 、膜的寿命有限；3 、选择性较 低；4 、绝大部分所应用膜的耐热、耐酸碱和耐溶剂的能力有限，使其使用范围 受到了限制。 第一章概论 表1 1不问膜分离方法及应用范围 醺的于i l 径 腰的种类旗的功能透过物质 分离驱动力 ( f m l 脱除溶j 疫中的悬浮物殷团微 徽溏厦 水溶瓤和溶静物压力差 0 l 一10 粒子菌类 脱除溶液中的胶体大分子茵 超滤腰 水 奢剂离子和小分子压力差 00 i - 0 i 粪病毒热鞭，量白质等 巍除溶菔中的无机盐离子低 纳澹厘和反渗透腹托溶剂压力差 0 。i o0 f 分子茁类氨基酸b o d ，c o d 腮陈溶液中的盐龚及低分子物 透析匿离子偃分子酸相碱谁度差0 卜o 0 l 离子氨基酸蕾类b o d c o d 电渗析离子交换腰脱除溶液中的无机有机离子言子电位差o 。i o0 l 溶液中的低分子与溶剂间舶分 压力差 渗透汽化腰 蒸汽 o 。0 | - 0 。o l 离 猿度差 气体与气体分离气体与蒸汽分 气件分离腰 气体 长酸差口0i _ o 离 1 1 2 微滤膜分离技术基础 1 1 2 1 微滤分离机理 微滤( m i c r o f i l t r a t i o n ，缩写m f ) 是一种以压力差为推动力的膜分离过程， 是目前应用广泛的膜分离技术，主要用于分离大分子、交替粒子、蛋白质、以 及其它微粒，其分离机理一般认为主要是筛分机理，就是根据分子或微粒的大 小和形状的不同而被分离的过程。微滤膜的孔径为o 0 8 1 0 1 j m ，能够分离溶液 中的悬浮物、胶团以及菌类等物质，在0 1 1 o m p a 压差作用下，水和小分子物 质透过微滤膜，而菌体和胶体等物质被截留，从而实现原料液中菌体和胶体与 水和小分子物质的分离。另外，微滤膜是用标称孔径来表征的，即在孑l 径分布 中以最大值出现的微孔直径。 第一章概论 ：鹃 图1 1 微滤原理示意图 膜分离过程一般经历一下几个阶段”1 ：( 1 ) 过滤初始阶段，比膜孔径小的 粒子进入膜孔，其中一些由于各种力的作用被吸附于膜孔内，减少了膜孔的有 效直径。( 2 ) 当膜孔内吸附趋于饱和时，微粒开始在膜表面形成滤饼层。( 3 ) 随着更多微粒在膜表面的吸附，微滤开始部分堵塞膜孔，最终在膜表面形成一 层滤饼层，膜通量趋于稳定。 根据膜的结构不同，微滤膜的截留机理大体上分为两大类： a 膜表面层截留 ( 1 ) 机械截留作用指膜具有截留比它孔径大或与孔径相当的微粒等杂志 的作用。 ( 2 ) 吸附截留过分强调筛分作用就会得出不符合实际的作用的结论。 p u s c h 等人认为，除了要考虑孔径的因素之外，还有考虑其他因素的因素，其中 包括吸附和电性能的影响9 1 。 ( 3 ) 架桥作用通过电镜可以观察到，在孔的入口处，微粒因为架桥作用 也同样可以被截留。 b 膜内部截留 膜内部截留主要是指将微粒截留在膜内部而不是在膜的表面。由于在微滤 膜内部存在着内径不规则的孔道，所有很容易截留一些可以进入孔道内的微粒。 1 1 2 2 微滤操作模式“o 4 第一章概论 a 静态操作法( 死端过滤) 在静态操作中，使要过滤的溶液正交地流过膜，所有的被截留微粒都沉积 在膜上，形成随时间而增厚的滤饼。静态操作法操作简便易行，适于实验室等 小规模等场合。 b 动态操作法( 错流过滤) 在动态操作中，进料流体的溢流方向是与膜平行的，通常也会形成由于微 粒沉积在膜上而形成的覆盖层。然而溢流过程却可以起到控制膜上覆盖层生成 的作用。由于有了溢流，在膜的表面上就会产生剪切力和浮力，并可以使已沉 积的微粒由覆盖层返回到流体，这种作用的强弱程度则取决于物料体系的状况。 1 1 2 3 微滤处理中的浓差极化和膜污染现象 影响微滤工业化应用的一个重要的问题就是渗透通量的衰减，随着运行时 闻的延长渗透通量将不断降低。造成渗透通量衰减的主要原因是浓差极化和膜 污染。 微滤过程中，在水和溶剂透过微滤膜的同时，一些胶体和菌体物质被膜截 留，并在膜表面聚集，使膜表面这些物质的浓度不断增高，当这些物质在膜表 面的浓度超过溶液主体浓度时，这些胶体和菌体就会反向向溶液主体扩散，这 种现象就是浓差极化。当发生浓差极化时，渗透通量会降低。但是浓差极化现 象是可逆的，通过改变、压力、温度和液料浓度等操作参数，可以降低浓差极 化的影响。 当分离溶质与膜表面的互相作用或在膜表面的浓度大于其溶解度，将在膜 表面形成吸附或沉积，造成膜污染，使其渗透通量显著下降。产成膜污染的主 要原因是以下几个方面： 1 浓差极化引起的凝胶层 2 溶质在膜表面的吸附层 3 膜孔堵塞 4 膜孔内的溶质吸附 通过对原料液适当的预处理和调节一些操作参数，就可以起到缓解膜污染 的作用。对已经形成的膜污染可以通过合适的演洗方法来使通量恢复。膜清洗 第一章概论 一般采用水、稀酸、稀碱、表面活性剂、氧化剂等作为清洗剂。具体采用那种 清洗剂要根据实验中微滤膜的化学性质和污染物的性质决定。不仅要具有良好 的去污能力，同时又不能影响膜的过滤性能。 第二节啤酒行业过滤技术现状 我国啤酒产销量从6 2 4 万吨( 1 9 8 9 年) 、1 1 2 5 万吨( 1 9 9 3 年) 、1 9 5 0 万吨( 1 9 9 5 ) 、 2 1 8 4 万吨( 1 9 9 5 年) 、2 1 8 4 万吨( 2 0 0 0 年) ，上升至2 2 7 3 万吨( 2 0 0 1 年) ，2 0 0 4 年 我国啤酒产量达2 9 4 0 万吨，创造了十余年来产量增幅1 5 2 的新纪录。在2 0 0 2 年，中国产量超过美国，成为“世界第一啤酒生产大国”，经过几年的快速发展， 从世界总产排序的第4 、第3 、第2 ，到第一，分别超过英国、日本、德国和美 国。但是我国啤酒行业依然面临着提高产品质量和改革原有工艺等方面的问题。 这主要是因为随着高技术的发展和人民生活消费水平的提高，人们对啤酒的品 味、品种和品质要求也不断提高，促使啤酒生产厂家需不断地改革原有旧工艺， 采用新技术和新工艺。膜过滤技术作为一种分离技术，在常温下可把啤酒中的 残留酵母菌和污染菌分离除去，不仅可以使啤酒发酵液变得澄清，而且可用在啤 酒生产的下游处理上，代替高温瞬时杀菌或巴氏灭菌，以保持生啤酒原有的风 味。从经济的角度来看，其运行费用接近甚至低于高温瞬时杀菌和巴氏灭菌， 而且节能、省时。 1 2 1 啤酒过滤技术的国内外现状与发展 在国外，早在6 0 年代就开始把膜技术用于生啤酒无菌过滤，在1 9 6 8 年日 本就开始把该项过滤技术应用于鲜生啤酒生产的试验“”。在2 0 世纪8 0 年代开 始，国际酿酒研究中心和其他国家的酿酒研究机构才真正开始对微滤技术在酿 酒行业中的应用进行了深入系统的研究“。在美国、德国、日本等发达国家在 8 0 年代后期已在生鲜啤酒生产中采用了膜过滤技术。在1 9 8 9 年2 月，日本麒麟 公司采用陶瓷过滤机的无菌过滤工艺生产上等鲜啤酒，在保质期内( 3 6 月) 直保持啤酒的新鲜风味。日本的休麦哈公司开发的陶瓷过滤系统，在日本扎 第一章概论 幌啤酒公司生产无热杀菌而保质期达6 1 2 月的纯生啤酒”1 。但由于整套设备一 次性投资较大，而且其操作要求较严格，因此，其大规模的工业推广应用受到 限制。随着制膜技术的不断提高，符合啤酒生产工艺要求的膜( 比如有机膜类) 日益受到各国研究者的重视。 在国内，对微滤系统在啤酒澄清和除菌的操作也进行了一些研究。楮良银 和王昕唪等人“3 “4 1 采用不同的微滤系统制造生啤酒，对膜孔径的选择、膜器的 优化和膜器的清洗再生法等方面进行了实验。谭国平等人“”将微滤系统作为啤 酒澄清的补充措施，即在使用硅藻土和纸板过滤后，再使用微滤操作，生产纯 生啤酒。但这些研究仅限于对工艺进行了初步的研究，却对目前微滤系统在啤 酒行业中应用的国际研究热点问题没有进行系统的研究。 微滤技术在啤酒澄清工艺中的应用既有非常巨大的潜在市场( 大约为2 0 0 ，0 0 0 m 2 膜) ，同时在技术上也具有一定的挑战性，因而从1 9 9 5 年开始，各国研究者 对微滤技术在啤酒澄清工艺中的经济性和技术性两方面进行深入细致的研究工 作“1 。 1 2 2 啤酒过滤技术现状 成熟啤酒中不可避免地含有一些酵母菌体以及微量的蛋白质、酒花树脂的 悬浮颗粒，它们的存在不仅影响产品外观( 浊度等) ，薅且影响到成品啤酒的生 物稳定性和非生物稳定性( 胶体稳定性) 。因此，为了保证啤酒的品质，除了发 酵后啤酒须在低温下储藏一段时间外，在装瓶前还必须进行净化，以达到胶体 稳定和微生物稳定。啤酒净化一般用过滤的方法，常用的过滤方法有硅藻土过 滤、纸板过滤和膜分离等u 。 1 2 2 1 硅藻土过滤 啤酒过滤操作的目的是要除去残留的酵母、胶质沉淀以及存在的任何细菌。 酵母菌的直径为2 7 9 m ，平均密度为1 0 7 4 9 c m 3 ，滤床比阻为1 0 1 3 1 0 ”m k g ， 可压缩性系数大于1 ，是一种较难过滤的物料。同时蛋白质与多酚反应会产生 复杂的胶体沉积物，另外还有重金属、糊精和b 葡萄糖，这些使过滤变得较 第一章概论 为困难，在过滤中必须使用助滤剂。目前采用的助滤剂大部分为硅藻土或硅藻 土与石英砂的混合颗粒。采用现代技术精心操作的硅藻土过滤可得到清亮的啤 酒，浊度低于0 6 e b c ( 欧洲酿造协会浊度单位) ，微生物含量极低( 酵母细胞 一般低于5 个1 0 0 m 1 ) 。 1 2 2 2 纸板过滤 纸板过滤的关键是过滤纸板，其孔径为5 1 2 0 9 m 。过滤纸板由3 0 5 0 9 m 的木材纤维或棉花纤维、石棉和硅藻土组成。石棉的作用是提高吸附能力，硅 藻土的作用是提高渗透性。为了除去多酚物质以提高啤酒的非生物稳定性，常 在纸板中添加少量p v p p ( p o l y v i n y lp o l y p y r o l i d o n e ，聚乙烯吡咯烷) 。若在纸板 表面预涂一层硅藻士，可使纸板的过滤性能进一步提高。纸板过滤压力超过1 3 k c m z 时，应进行反冲。 t 2 2 3 无菌过滤 近来酿造者对采用冷法除菌即过滤工艺来达到除茵的效果比较感兴趣。目 前，用于啤酒无菌过滤的方法有纸板过滤和膜分离。纸板过滤往往难于达到要 求。因此，啤酒无菌过滤的方法主要为膜分离。由于采用膜过滤除菌的啤酒( 即 纯生啤滔) 较热杀菌( 一般为巴氏杀菌) 的啤酒风味纯正、清爽、泡沫持久， 所以更受消费者欢迎。对于生产厂家来说，由于膜过滤可以直接得到无菌啤酒， 如配合无菌包装还可省出巴氏杀菌这道工序而生产出生物稳定性可靠的成品 酒，并且成品酒无过滤介质污染，产品损失率小。因此，工业化生产中采用冷 除菌的比例迅速提高。 用于啤酒无菌过滤的膜一般是以醋酸纤维、尼龙和聚四氟乙烯为主体，厚1 5 0 m 。用o 8 1 a m 孔径的膜对啤酒进行无菌过滤( 正常的操作压力为1 0 9 k 眺n 1 2 左右) ，即具很好的生物稳定性。但是，膜过滤除菌所用的膜价格高， 且再生困难，所以生产成本较高，大大制约了啤酒冷法除菌生产的发展。目前 所采用的膜清洗方法有酶或酸碱降解并结合热水浸泡、反冲等，但效果不理想， 且酶法处理时间长，成本高。而酸碱法对膜本身有一定损伤。有报道说，采用 化学氧化的再生方法清洗啤酒过滤膜，在生产性实验中结果令人满意。 8 第一章概论 1 2 3 啤酒工艺中常规过滤方法的问题以及微滤膜膜技术在啤酒中应用 1 2 3 1啤酒工艺中常规过滤方法存在的问题“6 1 目前，为了保证啤酒的品质，在装瓶前还必须进行过滤处理，以达到胶体 稳定和微生物稳定，国内处理啤酒发酵液主要是利用硅藻土过滤，而利用硅藻 土进行过滤不仅会给环境造成污染，而且现在研究表明，硅藻土对身体是有害 的物质。啤酒生产过程中，利用硅藻土进行过滤净化处理的缺点具体有以下几 个方面： ( i ) 硅藻土是一种非再生的矿物，大量使用硅藻土与啤酒厂的绿色工程相违 背。 ( 2 ) 优质硅藻土的矿藏量是有限的，酿造者只能依赖于价格必定上涨的产品。 ( 3 ) 硅藻土是硅质颗粒，吸入体内是有害的。 ( 4 ) 用过的硅藻土已成为大量的固体废弃物，堆积成山的硅藻土的处理费是 非常高的。在德国，每吨废弃物的处理费用高达5 0 0 马克。我国的啤酒工业正 处在一个高速发展的阶段，由啤酒工业产生的硅藻土会越来越多，这将会导致 需要大量人力和物力来处理。从长远来看，不利于啤酒工业的可持续发展。 另外，现在，经硅藻土过滤后的啤酒能除去绝大部分的酵母和微小物质， 从外观上看已达到清亮透明，但还带有微量的酵母和细菌杂质。这种啤酒一般 超过7 天就会发生生物混浊现象。因此我们日常饮用的瓶装啤酒在装瓶后必须 杀菌，使残留的酵母及其它杂菌停止繁殖。这样处理后的啤酒般能保持6 0 9 0 天或更长，不再混浊。当前工业生产大多采用巴氏杀菌法来保证啤酒的微生 物质量。然而巴氏杀菌虽然能保证啤酒的生物稳定性，但是高温的作用会减低 啤酒的化学物理稳定性( 非生物稳定性) 。如高温使c 0 2 逸出，蛋白质单宁胶 体物质溢出，形成巴氏杀菌混浊，对啤酒的泡沫和外观产生不良影响，最终影 响到啤酒的品质。 1 2 3 2 微滤膜技术在啤酒中应用 微滤技术是一种替代传统的硅藻土作澄清助剂的过滤工艺和热杀菌的潜在 技术，而且微滤技术还可以同时满足经济上和产品质量两方面的要求，即( 1 ) 9 第一章概论 生产与采用硅藻土过滤一样的清澈透明的啤酒；( 2 ) 不需要其它添加剂并且一 步能完成分离操作；( 3 ) 在低温下操作( 一般为o 左右) ：( 4 ) 获得经济性的 膜通量。7 。其在啤酒中工业中主要应用如下几方面： ( 1 ) 改革传统的过滤工艺。传统的过滤工艺是发酵液经硅藻土粗滤后再经 纸板精滤。现在，膜过滤可用来代纸板精滤，而过滤效果更好，过滤后啤酒的 质量更高。 ( 2 ) 巴氏杀菌和高温瞬时杀菌是提高啤酒品质期的常用方法，现在这一方 法可以用微孔滤膜过滤技术取代。这是因为过滤工艺中所选择的滤膜孔径足以 阻止微生物通过，从而可达到去除啤酒中的污染微生物和残留酵母菌进而达 到提高啤酒的保质期的目的。由于微滤膜过滤避免了高温对鲜啤酒口味和营养 的破坏，所以生产出的啤酒口味更纯，这就是通常人们称作的“生鲜啤酒”。 ( 3 ) 啤酒是一种季节性很强的消费饮品。夏、秋两季需求量特别大，为了 适应市场需要，不少厂家采用高浓度发酵液的后稀释法来迅速扩大产量。后稀 释啤酒所必需的无菌水及c 0 2 气体质量的高低直接关系到啤酒质量的好坏。我 国啤酒厂生产所需c 0 2 通常直接从发酵罐中回收，压成“干冰”后再使用，几 乎没有经过处理，杂质含量高。后稀释所需的无菌水过滤常用普通的深层滤材， 一般较难达到无菌水的要求。膜过滤技术的出现为生产厂家很好地解决这一难 题。经膜过滤器处理过的水，其大肠杆菌数和各类杂菌均应基本去除。c 0 2 气 体经膜过滤器处理后，纯度可达到9 5 以上。所有这些工艺对提高啤酒的质量， 提供了可靠的保障。 1 2 4 啤酒中的主要低温挥发物 啤滔中高级醇是发酵过程中的主要副产物之一，对啤酒的风味具有重大影 响，其中正丙醇、异丁醇、异戊醇时啤酒中含量较大的高级醇。啤酒原料中的 蛋白质经酶水解成氨基酸，经过酵母菌的作用，氨基酸脱氨脱羧即生成相应的 高级醇。高级醇在啤酒中的作用是有利有弊两个方面的。首先，高级醇是啤酒 的风味物质之一。但从卫生角度看，它却是对人类有害的物质，其中毒作用与 麻醉作用都比乙醇强，在人体停留时间也长。但由于其在啤酒中的含量少，故 未列啤酒卫生指标。另外，高级酵含量的偏高会破坏啤酒的纯正口味，而且它 还是成品啤酒储存后产生老化昧的物质的前驱体。 第一章概论 啤酒中适量的酯类赋予啤酒酯的香味，使酒体丰满协调。如过量超过闽值， 形成不愉快的香味。啤酒中酯类总量为1 5 5 0 p p m 。酯类常具有这样或那样水果 味增强啤酒风味，其风味指数( 浓度与风味闽值比率) 越高，啤酒风味组成越 有效，一般来讲乙酸异戊酯是酯味重要组成部分，其次为乙酸乙酯、已酸乙酯 等。 乙醛作为啤酒中主要的挥发醛类物质，其含量的多少往往表征啤酒的老化 程度。 综上所述，本论文采用的是啤酒模拟溶液，其配制参照啤酒中的主要低温 挥发性成份的组成，主要为乙醛、乙酸乙酯、正丙醇、异丁醇、 乙酸异戊 酯、异戊醇、己酸乙酯、乙酸异丁酯等啤酒中主要香味成份，它们是啤酒中 最基本也是最受关注的香味组份。在实验中，以2 0 的乙醇溶液作为溶剂进行 配制。配好的模拟溶液存放在冰箱了，存放温度为4 。 第三节本论文研究内容 利用微滤膜技术实现啤酒的过滤与除菌，具有独特的价值，可以同时达到 经济和环境保护两方面的要求，而且还可以提高啤酒的品质。目前制约其广泛 应用的障碍是微滤过程中的膜污染及其所产生的不利影响。本论文以微滤过程 中的膜材质和膜污染对啤酒中挥发性香味成份的吸附与截留为中心，着重研究 了以下问题： ( 1 ) 利用静态吸附实验，研究了模拟啤酒溶液中的低温挥发性成份在有机微滤 膜上的吸附行为，主要考虑了时间、温度、不同的微滤膜材料以及不同孔径的 影响。从雨可以确定有机微滤膜本身对啤酒中这些风味成分的吸附情况。 ( 2 ) 利用动态实验，研究了低温挥发性成份在有机微滤膜上的吸附情况。主要 考虑了不同的微滤膜材料以及不同孔径的影响。从而可以确定有机微滤膜本身 在过滤过程中对啤酒中成份的吸附情况。 ( 3 ) 研究了在蛋白质存在的条件下，污染后的微滤膜对啤酒中挥发性香味成份 的吸附情况，主要考虑了蛋白质浓度、温度、不同的微滤膜材料以及不同孔径 的影响。 ( 4 ) 采用微滤处理真实发酵液，分析微滤处理前后啤酒中低温挥发性成份的含 第一章概论 量的变化情况，确定微滤过程对啤酒中微量成份的影响。 ( 5 ) 本论文中利用了顶空一气相色谱技术对啤酒中挥发性香味成份进行了测 定，得到了很好的效果，确定了相应的测定顶空条件和气相色谱试验条件，为 啤酒工业中的质量监控提供了参考。 第二章采用项空一气相色谱技术分析啤酒中低温挥发物 第二章采用顶空一气相色谱技术分析啤酒中低温挥发物 第一节顶空一气相色谱技术原理 2 1 1 色谱技术原理 色谱仪属大型精密仪器，但是基本原理比较简单。样品加在一根内装某种填 料( 称为固定相) 的色谱柱，由某种气体或液体( 称为流动相) “推动”，样品通过色 谱柱，流动相为气体的即称为气相色谱，适于分析加热易气化分。由于样品中 各种组分与两相之间的分子间作用力异，各组分便先后不同地流出色谱柱而分 开，再依次检测器( 最常使用氢火焰检测器) 得出代表含量大小的峰峰面积信息。 由峰高或峰面积换算为含量，需借助于与“标准样品”( 由待测成分纯物质配制 的含量已知的溶液) 的，方法常有外标法和内标法，两者各有千秋。外标法即 定不变的条件下分别分析样品和标样，然后按正比例关系定量，简单快速，不 易出错，但操作的一致性要求较高，内标法要求准确取样，再向每个样品中准 确加入一种样品中并不含有的物质( 且不能破坏原来的分离情况) ，由于计量的 “标尺”己含在每个样品之中，理论严谨，操作条件的波动对结果的影响较小， 但步骤繁琐，不太适于批量样品的分析。 常用的色谱柱有两类，即毛细管柱和填充柱。毛细管柱分离效率高，啤酒中 几十种微量组分的研究主要依靠它来完成。但因内径细，柱容量非常小( 约为填 充柱的1 ) ，实际进入色谱柱的样品量必须很少，因此定量分析的准确性受到影 响，且仪器装置和色谱柱本身的价格都较高，操作技术的要求也较高。填充柱 的分离效能比毛细管柱差，但由于填充柱的制备比较简单，品种多样，进样量 大，定量分析准确度高，在实际分析工作中的应用仍然多于毛细管柱，是普及色 谱技术的基本柱型。 2 1 2 顶空进样技术原理 顶空分析。7 1 ( h e a d s p a c ea n a l y s i s ) 的想法源于分析固体和液体顶部蒸气相中 第二章采用顶空一气相色谱技术分析啤酒中低温挥发物 的有机挥发性物质。顶空进样气相色谱技术原理简单说就是将水样置于有一 定液上空间的密封容器中，水中的挥发性组分就会向容器的液上空间挥发，产 生蒸汽压，在一定条件下，组分在气液两相达到热力学动态平衡( 组分分压服 从拉乌尔定律) ，取其气相样品，用带f i d ( 氢火焰离子化检测器) 的气相色谱仪 进行分析。 这种方法最早可以追溯到1 9 3 9 年h a r g e r 等人“”对水相中醇含量的测定。顶 空分析方法随着气相色谱分析方法的发展也在不断的更新和发展。尤其是近十 年来对环境、食品及药品中挥发性有害物质的关注，使项空分析方法成为了一 种备受关注分析方法。气相色谱适用于分析挥发性和半挥发性的化合物，所以 顶空分析不但可以作为独立的一种样品处理技术，也是一种非常适合与气相色 谱进行联用的分析方法。顶空一气相色谱联用的报道最早见于1 9 5 8 年“”，顶空 分析专一性收集样品中易挥发的成分，与液一液萃取和固相萃取方法相比这样 既可以避免在除去溶剂时引起挥发性物质的损失，又降低了共提取物所引起的 噪音，这使得顶空分析方法相对于溶剂提取方法对样品中微量的有机挥发性物 质分析具有更高的灵敏度和更快的分析速度“2 “。顶空分析可以直接得到样品 所释放出的气体的化学组成，因此，顶空分析法在气味分析方面有独特的意义 和价值o ”。 2 1 3 现代顶空分析方法的分类 现代顶空分析技术已经形成了一个相对较为完善的分析系统，主要分为三 大类： ( 1 ) 静态顶空分析技术 静态顶空分析法是顶空分析法发展中所出现的最早形态“，静态顶空分析 原理示意图见图2 1 。 1 4 第二章采用顶空一气相色谱技术分析啤酒中低温挥发物 样品的基 基质艘性 ) 顶空部分 ) 样品部分 图2 1 静态项空分析原理 静态顶空分析法是将一定量啤酒样品置于用胶塞密封的样品瓶中，在一定 温度下，液体上方的气相与液相达到平衡后直接抽取气相进样。静态顶空分析 法的主要缺点是有时必须进行大体积的气体进样，这样挥发性物质的色谱峰的 初始峰宽较大会影响色谱的分离效能。如果样品中待分析组分的含量不是很低 时较少的气体进样量就可以满足分析的需要时，静态法仍是一种非常简便而 有效的分析方法。4 2 “。 ( 2 ) 动态顶空分析 动态顶空分析法起源于采用多孔高聚物对顶空气中的挥发性物质进行捕集 和分析。动态顶空法指用连续惰性气体( 一般为高纯氮气) 不断通过液态的待 测样品，将挥发性组分从液态的基质中“吹扫”出来，随后挥发性组分随气流 进入捕集器。捕集器中含有吸附剂或者采用低温冷阱的方法进行捕集，最后将 抽提物进行脱附分析“。2 ”。这种分析方法不仅适用于复杂基质中挥发性较高的 组分，对较难挥发及浓度较低的组分也同样有效。动态顶空分析可以分为：吸 附剂捕集模式和冷阱捕集模式。 动态顶空分析是一种将样品基质中所有挥发性组分都进行完全的“气体提 取”的方法，这种方法较静态顶空和顶空一固相微萃取方法有更高的灵敏度。 第二章采用项空气相色谱技术分析啤酒中低温挥发物 ( 3 ) 顶空一固相微萃取 固相微萃取( s p m e ) 是近十年来新兴的分析技术，1 9 9 0 年首次被p a w l i s z y n 等人提出1 ，其显著优点是将萃取、浓缩和二为一的完成，操作简单，实现了样 品的在线浓集与捕集，从而最大程度上的避免了离线溶剂提取和浓缩的烦琐。 顶空一固相微萃取分析中萃取头具有一定的预浓缩作用，分析的灵敏度高 于静态顶空分析，在分析的精密度方面好于动态顶空分析，所以是进些年来最 常用的顶空分析方法。 综上所述，顶空分析作为无需有机溶剂提取的分析方法，其简便、环保、 高速和灵敏的特点日益受到分析化学家重视。近年来，自动顶空分析进样装置 的发展和内标法的应用使顶空分析的定性分析和定量分析具有良好的重现性， 顶空一气相色谱联用分析技术的发展使其成为目前分析复杂基质中有机挥发性 物质的一种快速有效方法。这种方法大大减少了分析人员和对环境的危害，是 一种符合“绿色”分析化学要求的分析方法。 第二节顶空一气相色谱分析方法分析啤酒中挥发物的实验条件 在国内，啤酒作为饮料酒，其风味特征主要通过感官品尝进行评价，随着 啤酒生产规模化、集团化发展，仅靠专业品酒人员进行感观品尝，难以达到控 制产品品质的目的。利用现代仪器分析技术对啤酒品质进行监控，保持啤酒风 味一致性，是啤酒行业的趋势”1 。本论文中采用的是静态顶空一气相色谱分析 方法来分析鉴定啤酒中的低温挥发性成分。 2 2 1 静态顶空一气相色谱法实验原理 将啤酒模拟溶液置于有一定液上空间的2 0 r a l 的惠普项空进样瓶中，然后用 第二章采用项空一气相色谱技术分析啤酒中低温挥发物 铝盖密封，在一定的温度和压力作用下，模拟溶液中的挥发性组分就会向顶空 瓶的液上空间挥发，产生蒸汽压，在一定条件下，组分在气液两相达到热力学 动态平衡( 组分分压服从拉乌尔定律) ，取其气相样品，用带f i d ( 氢火焰离子化 检测器) 的气相色谱仪进行分析，内标法定量，内标物为正定醇，即可以得到组 分在啤酒模拟样品中的含量。 2 2 2 实验部分 2 2 2 1 气相色谱条件的设置与选择“ ( 1 ) 色谱柱的选择：在选择毛细血管柱时主要考虑的因素为：固定相、内径、 膜厚以及柱长。考虑到啤酒中低沸点的醛类、酯类、醇类的极性，根据相似相 溶的原理，在本实验中选用h p d 附o w a x 毛细血管柱，固定相为极性的聚乙二 醇。柱内径选择了o 5 3 r a m ，主要是因为大口径毛细血管柱可以采用直接进样技 术，比较简便。本实验选择的膜厚为1 0 岬，属于中等厚度( 1 。o “m 1 5 v m ) ， 这种膜厚的毛细血管柱主要用于分离1 0 0 2 0 0 流出的样品。膜厚的增加， 对两个流出时间相近的化台物的分离越好。一般来说柱子越长，分离效能越 好，考虑到本实验需要分析和测定的成份数量，本实验中柱长选择为3 0 米，可 以分离1 0 到5 0 个组分的中等至复杂混合物。 ( 2 ) 载气流量设置：载气流量过低，会使谱峰的半峰宽增加，或出现拖尾峰； 载气流量过高，又会使相邻的峰不能完全分离，甚至出现谱峰完全重合现象。 经过多次实验，确定载气流量为4 m l m i n ，这是可以准确的分离出啤酒的风味物 质，而且比较省时。 ( 3 ) 温度条件的选择：采用恒温分析的方法，谱峰无法得到良好的分离，而采 用程序升温的方法可以使啤酒中的各个组分按沸点的高低依次分离，得到较好 的分离效果。 2 2 3 2 实验仪器 气相色谱仪：a g i l e n t6 8 9 0 n ，带电子压力控制系统( e p p ) ，工作站采用是惠普 化学工作站。 第二章采用顶空一气相色谱技术分析啤酒中低温挥发物 检测器：氢火焰离子化检测器( f i d ) 色谱柱：h p - 仆n o w a ) ( o 5 3 m i n x3 0 m ，膜厚1 0u m ；固定相为聚乙二醇 顶空进样器：h p - - 7 6 9 4 e 型，带自动进样器 进样器：lu l 、1 0l a la g i l e n t 微量进样器 2 2 3 3 色谱条件 柱温：起始温度为5 0 。c ，以1 0 。c 程序升温至1 6 0 c ； 进样器温度：3 0 0 ： 载气为高纯氮气，流速：氮气的流速为4 m l m i n ；氢气：4 0m l m i n ；空气：4 0 0 m l m i n 采用分流进样，分流比为2 ：1 。 2 2 3 4 顶空进样条件 温度：样品瓶平衡温度为5 0 ； 定量环温度为1 0 0 。c ； 传输管线温度为1 0 0 ； 时间：样品瓶平衡时间为2 7 o m i n 充压时间，0 1 3 m i n ； 定量环平衡时间为o 2 0 m i n 进样时间为0 5 0 m i n 2 2 3 5 实验试剂 全部试剂采用分析纯，包括：乙酸乙酯、正丙醇、异丁醇、 乙酸异戊 酯、异戊醇、己酸乙酯、乙酸异丁酯、乙醇。正丁醇为内标液。 第二章采用顶空一气相色谱技术分析啤酒中低温挥发物 2 2 3 定性分析 在相同的色谱条件下，各取1 1 乙醇、乙酸乙酯、正丙醇、异丁醇、乙 酸异戊酯 、异戊醇、己酸乙酯、乙酸异丁酯、正丁醇。，分别直接注入色谱 进样器，得出各组分保留时间。 2 2 4 定量分析原理 试验中采用了内标法定量的方法。内标法( i n t e r n a ls t a n d a r d m e t h o d ) 是色谱 分析中一种比较准确的定量方法，尤其在没有标准物对照时，此方法更显其优 越性。内标法是将一定重量的纯物质作为内标物加到一定量的被分析样品混合 物中，然后对含有内标物的样品进行色谱分析，分别测定内标物和被测组分的 峰面积( 或峰高) 及相对校正因子，按下列公式即可求出