Application of Turbidity and Filterability Index in Wine Filtration

Liquor-Making Science and Technology - - Contents - TIAN Deyu

Abstract: Filtration is indispensable for producing quality grape wine. However, degerming filter membranes are frequently blocked in practice. In the beginning, winemakers judged whether the membranes were blocked or not by turbidity. Then enormous practices proved that turbidity could not reflect the filtration accurately. After that, Bowyer etc. put forward filterability index through the simulation of the conditions in wine filtration, and such index could be used to guide wine filtration. Key words: wine filtration; turbidity; filerability index

在葡萄酒的工业化生产过程中,葡萄酒需经过多道工艺来使其达到澄清透明、有光泽的外观,且具有物理稳定性和生物稳定性。其中包括下胶及澄清后取上清液、冷冻后对酒石进行过滤、粗滤以及瓶装前需进行除菌过滤等。葡萄酒的过滤过程按过滤形式,可分为“死端过滤( dead- end filtration)”和“微孔膜错流过滤( Cross Microflow Filtration,CMF)”[ 1- 。错流过滤过程中根据过滤速率的

2]变化分为两个阶段,第一阶段的特点是过滤速率迅速下降,这是由于滤饼形成后,跨膜压力( transmembrane pressure)的变化而导致的3];第二阶段的

[特点是过滤速率缓慢的下降,这主要是由于过滤膜表面颗粒物的浓度增大和随后粒子的沉积而造成

[3]的 。其中死端过滤包括硅藻土过滤、纸板过滤和 滤膜过滤等,硅藻土过滤即通过硅藻土这种具有特殊多孔结构的过滤介质形成的滤饼,将简单的表面介质过滤变为深层过滤,并通过硅藻土吸附小分子[ 5],蛋白质和胶体,提高滤液澄清度4- 通常硅藻土过μm滤孔径在1 以上;纸板过滤则是将硅藻土等滤材通过纸浆“固定化滤饼”,通过纸板过滤机将这些“固定化的滤饼”“并联”后,从而增加“滤饼”的过滤面积,提高过滤效果,通常纸板的平均过滤孔径在μm; 0.22~1 终端膜过滤多采用聚己二酰己二胺(俗称尼龙 66)化学合成材料制作而成的“过滤μm棒”,过滤孔径在 0.45 左右,此种过滤棒化学稳定性好,过滤孔径相对平均,但造价较高[ 6],除菌过μm滤通常使用平均孔径为小于0.45 的过滤芯(多μm)[为0.22 。在实际的生产过程中,经常会出现7]

经过了前几道工序后的葡萄酒会堵塞除菌过滤芯的问题。由于除菌过滤芯的成本较高,堵塞既造成了生产效率的降低,也造成过滤芯损耗等较大的经济损失[8]。为此,人们开始寻找能够指导葡萄酒是否适合除菌过滤的标准。

1 浊度( turbidity)作为判断葡萄酒是否适合除菌过滤的标准

葡萄酒的浊度指葡萄酒中的悬浮颗粒对光线透过时所发生的阻碍程度,是表征葡萄酒澄清度的一个指标,用NTU来表示,1 NTU表示3.2 mg二氧化硅分散在1L水中所形成的浑浊度。葡萄酒浊度的检测参照ISO7027:1999国际标准的要求,使用

[9]浊度检测仪,可检测出葡萄酒的浊度值 。在葡萄酒当中,有很多成分能够引起浊度的变化[ 10],比如

Moine-泥沙、酵母、细菌和一些结晶物质。 Ledoux及 Pocock等首先提出使用浊度来判断葡萄酒蛋白稳定性,认为下胶处理后的葡萄酒,经稳定性检验处理后,若浊度差值< 2.0 NTU(或者使用分光光度仪,经稳定性处理后,若在520 nm波长差值< 0.02吸光度,同样认为热稳定通过,但由于吸光度会受到葡萄酒加热导致的色变的影响,从而导致吸光度判断热稳定性的可靠性不高),则可判断葡萄酒蛋

[11]白稳定合格 。浊度也是冷稳定通过后进行错流

[12]过滤操作的检测指标之一 。在错流过滤过程中,酒液的初始浊度越高,整体的错流过滤速率越低,

[13]初始浓度越低,整体的错流过滤速率越高 。通常的错流过滤机会带有在线的浊度检测仪,一般情况下,若检测处无气泡等干扰项产生,葡萄酒的浊度值都应在1 NTU以下,如出现浊度值增大,应检查

[14]过滤速度或检查模芯的完整性 。

最初人们认为,这个与葡萄酒浑浊最相关的指标浊度值,能够有效地指导葡萄酒的除菌过滤,还提出当浊度值小于1 NTU时,葡萄酒即可进行除菌过滤,当浊度值大于1 NTU时,需要进行预过滤,才能进行除菌过滤。而实践证明这种预测不能完全适应于真实的葡萄酒生产,实际生产过程中,经常出现即使浊度值低于1 NTU的葡萄酒也会严重堵塞除菌过滤膜的现象。

这种使用浊度值来判断葡萄酒可滤性的方法被 Bowyer 等 证实是不对的。因为在葡萄酒当

[16]中,最容易造成微滤膜堵塞的是小颗粒和胶体,当这两种物质过多存在时,会使膜的过滤能力急剧下降,既会造成膜内部污染,也会造成膜外部污染。微滤膜在堵塞过程,大颗粒会被挡拦在膜外部,形成滤饼( cake),这种堵塞是可逆的,而小颗粒和胶体会渗入到膜的内部,形成聚合有机物堵塞微滤

[15]膜,降低膜的使用寿命 。而葡萄酒中的胶体主要分为以下两种:一种是缔合胶体( associativecolloids),另一种是聚合胶体( macromolecular colloids);缔合胶体是由一些小分子之间的集合,分子之间用一些如范德华力、氢键和疏水作用力等较弱的分子间作用力连接;聚合胶体,则是一些多糖、蛋白质和甘露糖蛋白等较大的分子聚合而成,在形成过程中还会使一定量的缔合胶体更加稳定。这些葡萄酒中的胶体有一部分难以通过浊度值来检测到,并且同样能堵塞过滤膜,所以浊度值并非是判

[ 17]断葡萄酒是否适合进行除菌过滤的标准16- 。

由上可知,葡萄酒的浊度值小于1 NTU时,并不完全表明此酒可以直接进行除菌过滤,但实践证明,一旦葡萄酒的浊度值大于1 NTU时,可完全表明此酒不适合直接进行除菌过滤。也就是说浊度值是葡萄酒是否可直接除菌过滤的充分不必要条

[9]件。

2 可滤性指数( Filterability Index)作为判断葡萄酒是否适合于除菌过滤的标准

后来,研究者通过模拟除菌过滤的几个要素:膜孔径和压力等,设定了一个参数来判断葡萄酒是否适合于除菌过滤工艺,这个参数就是可滤性指数( Filterability Index,FI)。葡萄酒的可滤性指数是指酒样( 20 ℃)在2 bar的均衡压力下(实验过程中使用氮气瓶和稳压阀门来实现均衡压力)通过平均孔μm径为 0.22 过滤膜,从开始过滤起,记录两个时间点,分别是:过滤满200 mL的时间T200和过滤满400 mL的时间T400,将 T200和 T400带入以下公式: T400- FI= 2T200 ( 1)经过数据统计发现,当酒的FI值低于20时,比

μm较适合于使用除菌过滤( 0.22 过滤膜)处理。由式( 1)可见,可滤性指数( FI)是在考量葡萄酒样通过除菌过滤膜的持续过滤能力,较为客观地对葡萄

[18]酒是否适合于除菌过滤做出了指导 。

但是经过实践发现,有时FI值低于20时,也会出现除菌过滤膜堵塞的情况。Dr Paul Bowyer等人研究发现,这可能是因为,实验中过滤量较少且只取得了两组数据的原因,于是他们提出,在原有的记录两个时间点的基础上,再记录第三个时间点,即过滤600 mL时的时间,带入到公式( 2)中:

T600-T200)- T400- FIm = ( 2( T200) ( 2)而且通过实验证明,在酒的可滤性评估上,当FIm值小于20时,适合于直接进行除菌过滤。而实践也证明FIm比FI更为稳定和准确19- 20]。

[葡萄酒的可滤性指数( FI 或者FIm)是用来评估酒在灌装过滤过程中堵塞过滤膜难易程度的参数,然而,可滤性指数的获得实验,并不能完全模拟葡萄酒的灌装过滤过程——大多数的灌装过滤分

μm)为预过滤(过滤孔径为1 和除菌过滤(过滤孔

μm)径为0.45 的过程,而可滤性实验没有进行预过滤;另外,在实验过程中,会使用尼龙材质的过滤膜,而实际生产过程中过滤膜会使用聚醚砜( PES)等其他材质,所以造成了可滤性指数无法指导实际生产的过滤过程。所以可滤性指数的判断方法也并非正确无误。

人们在研究错流过滤过程中造成阻塞因素时,发现葡萄酒中的固有成分对于堵塞的影响从小到大的顺序为甘露糖蛋白<单宁物质<果胶。单宁物质在过滤过程中,会随着过滤形成“滤饼”,在错流过滤中容易被切向的流体去除。而果胶在过滤过程中会形成一种凝胶堵塞层( gel- layer),堵塞滤孔,难以在过滤过程中去除。甘露糖蛋白的含量在

[ 23]一定的阈值之下,不会影响过滤的流量21- 。

因为可滤性指数的测定使用的是“死端”过滤,无法模拟错流过滤的过程,所以可滤性指数也不能对葡萄酒是否适合进行错流过滤进行预估和指导。同样的,浊度值在这方面也无法反映实际状况。

综上所述,在预估葡萄酒的过滤方式时,可滤

性性指数比浊度值更加严谨,但由于目前所做的可滤性实验仍然无法完全模拟实际灌装过程中的各种因素,所以可滤性指数也只是一种可信系数较高的参考值。

3 应用现状

[24]王岩等在研究中发现,由于工艺上的差异性,不同罐体的白葡萄酒的可滤性指数差异性较小,而红葡萄酒的可滤性指数会因酒质的高低出现不同,这就要求每一个厂家需根据自身工艺、葡萄质量和品种来综合考量葡萄酒的可滤性指数。同时,在通过可滤性指数判断的同时,他们还根据实际情况,引入了最大过滤量( Vmax)的概念,微滤膜在

IF压力恒定情况下,最多能过滤的酒量,形成了“IFM- Vmax”模型 这也能够更加严谨合理地预估

[ 25],葡萄酒的可滤性。

这种建立过滤模型的工作在葡萄酒加工过程中的剩余物( Grape Processing Residues,俗称“酒泥”)的过滤中也起到了重要作用。通常情况下,酒泥过滤由于缺乏对于酒泥本身的前期分析,直接进行错流过滤,会造成过滤速率低下,甚至堵塞膜柱

[16,26]的问题 。Camille Rouquié等通过对“酒泥”进行理化指标分析和模拟酒泥过滤过程,进行数据采集,建立了一套模型,能够指导酒泥过滤过程中对于过滤膜孔径尺寸、材质以及过滤压力的选择,大大提高了过滤效率,也减少了膜堵塞等带来的经济

[27]损失 。

在其他饮料行业中,这种建立过滤模型的预测方式也在广泛使用。在啤酒生产中,徐举飞等同样根据麦芽汁的实际过滤过程,设计数学模型用来预

[28]测和指导麦芽汁的过滤 。与葡萄酒错流过滤相类似的果汁错流过滤工作中,研究出“凝胶极化模型”( gel- polarisation),来测算不同情况的果汁的错

[29]流过滤速率 。 4 总结和展望

过滤工艺在葡萄酒的生产过程中起着重要作用。为了提高工作效率,节省成本,在进行每一次过滤工艺前,能够判断过滤物质是否适合于要进行的过滤工艺就显得十分重要,特别是灌装前的除菌

过滤,通常难以通过葡萄酒液要求我们不断寻找更加客观可行的判断标准。的外观来预估,这就

浊度值只能否定葡萄酒液进行除菌过滤(当浊度值> 1 NTU时,肯定不能直接进行除菌过滤),而不能肯定葡萄酒液进行除菌过滤(实践证明,当浊度值< 1 NTU时,也会出现堵塞除菌过滤膜的现象)。

可滤性指数( FI 或者FIm)是研究者对除菌过滤进一步认识后进行的模型参考值,它通过对过滤过程中的几个重要因素的模拟来考察过滤酒液是否能够通过除菌过滤,更加客观和可行。但模拟与实际的差距导致可滤性指数也并非是完全准确的判断标准。

因此要求生产者在过滤过程中结合可滤性指数,积累数据,并进行分析,找出最适合酒企的判断标准。参考文献: [1] 陈小波,杨雪峰.错流过滤技术在葡萄酒行业中的应用

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