使用粒度分析和流变学优化苹果酒生产

• 关键词：颗粒分析仪,流变仪
• 摘要：苹果酒是一种由苹果汁发酵制成的酒精饮料。对于制造来说，单宁含量高的苹果是首选。首先将苹果磨成细果肉，然后压榨以提取汁液。然后将果汁发酵，要么使用果汁中存在的天然酵母，要么补充受控制的酵母菌株以确保一致的发酵。发酵包括两个独立的步骤：首先，酵母将糖转化为酒精，然后乳酸菌将天然苹果酸转化为二氧化碳。因此，控制这两个过程使制造商能够调节最终产品的酒精含量和起泡特性。

1 引言

苹果酒是一种由苹果汁发酵制成的酒精饮料。对于制造来说，单宁含量高的苹果是首选。首先将苹果磨成细果肉，然后压榨以提取汁液。然后将果汁发酵，要么使用果汁中存在的天然酵母，要么补充受控制的酵母菌株以确保一致的发酵。发酵包括两个独立的步骤：首先，酵母将糖转化为酒精，然后乳酸菌将天然苹果酸转化为二氧化碳。因此，控制这两个过程使制造商能够调节最终产品的酒精含量和起泡特性。与其他酒精饮料相比，苹果酒发酵在相当低的温度(4~15℃)下进行。这对发酵过程的持续时间以及最终产品的风味具有重要影响 [1][2][3]。

对于在罐中进行发酵的通常情况，苹果酒在发酵过程结束时被虹吸以去除死酵母和颗粒物质，从而产生清澈、无沉淀的产品。为了创造外观更自然的产品，并为苹果酒添加一些甜味和苹果味，一些制造商在过程结束时添加混浊的浓缩苹果汁。为了使最终产品具有吸引人的混浊外观，同时避免沉淀的风险(这对客户来说是无效的)，需要将浓缩物均质化，使颗粒达到一定的大小。机械均化过程旨在缩小颗粒尺寸和缩小颗粒尺寸分布，即使颗粒尺寸更均匀。

在本应用报告中，使用 Litesizer™ 500 颗粒分析仪研究了均质化对浓缩苹果汁中颗粒大小的影响。还研究了浓缩苹果汁对最终苹果酒产品的影响。此外，我们还试图使用安东帕流变仪确定均质化前后苹果浓缩汁的流变特性。

2 实验装置

2.1 粒度表征

将非均质苹果汁和均质苹果汁用纯净水稀释。商用苹果酒产品在超声波仪上除气泡 15 分钟。将 1 毫升的每个样品转移到石英比色皿中进行动态光散射 (DLS) 测量。所有测量均在 Litesizer™ 500 仪器上于 25℃下进行。仪器为每个样品自动选择测量角度、过滤器和聚焦位置。样品的折射率设置为 1.3483，水在 25℃(0.89 mPa.s) 下的动态粘度用于粒度计算。

2.2 流变表征

未稀释的样品用 MCR 流变仪测量。使用直径为 50mm、角度为 1° 的锥板系统。锥体的尖端被截断，导致最小间隙尺寸为 50 μm。这限制了几何形状对包含小于 5 μm(间隙尺寸的 10%)颗粒的样品的适用性。由于 Litesizer™ 确定所有样品的粒径均远低于此限值(参见下文第 3.1 节)，因此锥板系统似乎适合该应用。这是最准确的系统，因为剪切速率在整个间隙中是恒定的。

3 结果与讨论

3.1 粒度测量结果

在自动模式下，Litesizer™ 500 根据样品的透射值选择测量角度，该值在实验过程中连续测量。浓缩苹果汁和苹果酒样品的高浊度促使仪器为所有测量选择反向散射角 (175°)。

表 1：DLS 测量结果

样品强度峰尺寸[nm]相对标准偏差[%]多分散指数 [%]

非均质浓缩物931.46.9625.6

均质浓缩物712.86.7826.2

苹果酒636.84.8319.2

图 1 和表 1 中描绘的结果显示，在均质化过程后，峰值尺寸逐渐变小。此外，均质后的粒度分布显得略窄，说明粒度也更均匀。

图 1 非均质(黄色)和均质(绿色)苹果汁的强度加权粒度分布。

图2苹果酒(黄色)和浓缩苹果汁(绿色)的强度加权粒度分布。

最终产品粒度分布呈单峰状(图 2)说明苹果酒颗粒比均质浓缩苹果汁中的更小且更均匀。此外，苹果酒样品中明显没有大颗粒表明最终产品的沉淀风险很低。

3.2 流变测量结果

测试了非均质和均质样品的流变流动行为。从下面的图 3 中可以看出，两个样品都是剪切稀化的。在实验开始时，粘度随着剪切速率的增加而急剧下降。这是由于样品结构：颗粒沿剪切方向排列，因此流动阻力较小，从而导致粘度降低。然而，在更高的剪切速率下，粘度下降得更慢，并且在实验结束时保持恒定(或几乎恒定)。这种最初强，然后迅速减弱的剪切稀化行为是乳液和其他分散体的典型特征。

我们观察到均质样品的动态粘度明显高于非均质样品(图 3)。这种差异随着剪切速率的增加而减小，但一直持续到实验结束。在均质后的样品中，颗粒较小，但由于浓缩液在均质后可能未稀释，因此颗粒浓度较高。这增加了溶液中的整体颗粒表面，导致动态粘度升高。此外，我们不能排除均质化促进了溶剂中可溶性植物细胞化合物(如糖)的释放，这可能进一步导致整体粘度的增加。

均质化的样品还显示出比非均质化样品明显更多的剪切变稀行为。事实上，当均质浓缩物的剪切速率从 2s-1 增加到 20s-1 时，动态粘度下降了 27%，而在相同的剪切速率区间内，非均质样品的动态粘度下降小于 4%。

总而言之，这些发现表明均质化可能对浓缩苹果汁的口感产生显着影响，因为这种感官因素严重依赖于粒度以及粘度和剪切行为。

4 结论

Litesizer™ 返回的结果表明，均质化既降低了浓缩苹果汁中的颗粒尺寸，又缩小了颗粒尺寸分布。这确实是理想的效果：浓缩物中的颗粒需要经过校准，以便最终产品(苹果酒)看起来自然浑浊，而不会有沉淀的风险。有趣的是，根据在 MCR 流变仪上进行的实验确定，两种浓缩物样品之间的粒度差异与动态粘度和剪切变稀

行为的明显差异相平行。在这里，我们看到均质样品具有明显更高的粘度，但与非均质样品相比，具有更强的 图 3 均质(红色)和非均质(蓝色)浓缩液在 25℃时的粘度曲线。粘度用圆圈表示，剪切应力用三角形表示。

剪切稀化行为，这一特性可能对最终产品的口感产生显着影响。 Litesizer™ 表明均质化既降低了浓缩苹果汁中的颗粒尺寸，又缩小了颗粒尺寸分布。这确实是理想的效果：浓缩物中的颗粒需要经过校准，以便最终产品(苹果酒)看起来自然浑浊，而不会有沉淀的风险。

有趣的是，根据在 MCR 流变仪上进行的实验确定，两种浓缩物样品之间的粒度差异与动态粘度和剪切稀化行为的明显差异相平行。在这里，我们看到均质样品具有明显更高的粘度，但与非均质样品相比，具有更强的剪切稀化行为，这一特性可能会对最终产品的口感产生显着影响。

因此，本报告表明，利用粒度分析和流变学的综合潜力来表征浓缩苹果汁，能够监测和影响苹果酒的外观、沉淀行为和口感。

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