白酒蒸餾理論與技術(shù)的研究進展

劉芮荻，張宿義，，3，殷鵬飛，林 楊，敖宗華，楊 艷，賈俊杰，3，馬 龍，3

（1.四川輕化工大學(xué)生物工程學(xué)院，四川宜賓 644000；2.瀘州老窖股份有限公司，四川瀘州 646000；3.國家固態(tài)釀造工程技術(shù)研究中心，四川瀘州 646000）

中國白酒是一種歷史悠久，文化底蘊深厚的蒸餾酒，以高粱等糧谷為原料，以酒曲為糖化發(fā)酵劑，經(jīng)發(fā)酵、蒸餾、貯存、勾調(diào)制成，在世界蒸餾酒中獨具一格。蒸餾是白酒生產(chǎn)的關(guān)鍵步驟，通過蒸餾可將糟醅中的乙醇和風(fēng)味物質(zhì)提取出來得到原酒。蒸餾決定了白酒能否由“豐產(chǎn)”到“豐收”，中國白酒所獨有的固態(tài)蒸餾工藝對發(fā)酵完成的糟醅中風(fēng)味物質(zhì)的提取和酒體風(fēng)格特征的形成起著至關(guān)重要的作用。

20 世紀80 年代釀酒業(yè)界和科研工作者就開始研究白酒固態(tài)蒸餾技術(shù)的原理以及風(fēng)味物質(zhì)餾出規(guī)律。由于試驗條件限制加之甑桶蒸餾體系復(fù)雜，在幾十年時間里，關(guān)于白酒蒸餾的研究一直停留在現(xiàn)象觀察和規(guī)律總結(jié)層面。固態(tài)甑桶蒸餾的內(nèi)部傳質(zhì)傳熱機理，糟醅中各種風(fēng)味物質(zhì)的提取及其在蒸餾過程中的產(chǎn)生和分解規(guī)律等問題，都沒有得到很好的解決，導(dǎo)致中國白酒所獨有的固態(tài)蒸餾技術(shù)理論體系一直無法構(gòu)建起來，生產(chǎn)得不到科學(xué)理論的指導(dǎo)。近10 年來，隨著數(shù)學(xué)模型、精餾理論等研究方法的應(yīng)用，人們對白酒固態(tài)蒸餾有了更加廣泛、深入的認識。

本文對固態(tài)甑桶蒸餾的理論、影響蒸餾效果的因素、固態(tài)減壓蒸餾及原酒二次蒸餾等方面取得的成果進行了綜述，展望了白酒固態(tài)蒸餾的研究方向，為科學(xué)認識白酒蒸餾技術(shù)、探究不同蒸餾方式對白酒風(fēng)味物質(zhì)提取的影響提供參考。

1 白酒固態(tài)蒸餾理論

1.1 固態(tài)蒸餾原理

固態(tài)蒸餾是指蒸餾過程物料間以氣體為介質(zhì)進行物質(zhì)、能量、動能傳遞的蒸餾，是中國白酒獨有的工藝，通過甑桶對酒醅進行蒸餾得到風(fēng)味獨特的白酒。裝滿酒糟后的甑桶可視為一個填料塔，裝入的酒糟既是填料，又是被蒸餾的物料。在上甑蒸餾過程中物質(zhì)交織形成液相、氣相、固相同時存在的復(fù)雜界面，乙醇和其他香味物質(zhì)不斷汽化、冷凝、層層濃縮，最終將母糟中4 %～6 %的乙醇濃縮為65%vol～70%vol風(fēng)格特殊的白酒。

在固態(tài)蒸餾中，蒸餾容器為傳統(tǒng)的甑桶，甑桶雖結(jié)構(gòu)簡單，但在白酒的蒸餾過程中蘊含有復(fù)雜的科學(xué)理論，蒸餾效果受多種因素影響，值得深入研究。常壓條件下甑桶內(nèi)溫度最多只能達到102 ℃，并未達到大部分風(fēng)味物質(zhì)的沸點，甑桶中有糟醅充當(dāng)填料且存在回流現(xiàn)象，類似精餾塔，蒸餾過程中存在共沸、揮發(fā)、萃取等多種物質(zhì)交換方式，使高沸點物質(zhì)能夠被分離出來并進入基酒。在蒸餾過程中，糟醅中的一些物質(zhì)還會發(fā)生熱變反應(yīng)，使甑桶內(nèi)形成固、液、氣三相交織，物理變化和化學(xué)變化同時發(fā)生的復(fù)雜系統(tǒng)。因此，研究甑桶固態(tài)蒸餾的內(nèi)部機理，為傳統(tǒng)的經(jīng)驗式操作提供理論解釋和指導(dǎo)具有重要意義。彭明啟指出了鋪料溫度、溫度梯度和單次鋪料厚度與出酒量之間的關(guān)系，揭示了“探汽上甑”和“輕撒勻鋪”的科學(xué)內(nèi)涵，認為疏松多孔的糟醅是乙醇能夠順利蒸出的先決條件；通過“探汽上甑”控制蒸汽與甑面的距離可保證每一粒酒醅都獲得必要的物質(zhì)交換時間，在糟醅中形成高濃度酒精層并維持較長時間。石為人在此基礎(chǔ)上還分析了乙醇濃度與酯類物質(zhì)提取的關(guān)系，解釋了“蒸餾提香”的原理和“回酒蒸餾”這一工藝條件對較低甑位香味物質(zhì)提取的影響。由于甑桶蒸餾系統(tǒng)復(fù)雜，使得白酒固態(tài)蒸餾的微觀動態(tài)變化難以形成較為完全、準確的理論解釋。

1.2 固態(tài)蒸餾數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

固態(tài)蒸餾上甑蒸餾過程的內(nèi)部動力學(xué)較為復(fù)雜，很難通過實驗的方式研究其微觀動態(tài)變化，進行生產(chǎn)規(guī)模的實驗費時費力，誤差較大。通過對甑桶蒸餾的上甑、蒸餾過程進行數(shù)學(xué)描述并建立數(shù)學(xué)模型進行計算模擬可彌補實驗方法的不足。杜冰提出了一種描述甑桶蒸餾過程的數(shù)學(xué)模型，將上甑完畢后出酒前的酒醅分為5 個濃度區(qū)域，解決了乙醇在甑內(nèi)的遷移速度和乙醇高濃度區(qū)的厚度計算問題。模型表明高濃度區(qū)厚度與甑桶高度、酒醅液相摩爾數(shù)有關(guān)，適當(dāng)提高甑桶或鋪料高度及糟醅持液量可增加高濃度區(qū)厚度從而增加乙醇餾出量。徐鴻飛基于乙醇和水的相平衡關(guān)系構(gòu)建的底鍋、甑桶和冷凝器的瞬態(tài)傳質(zhì)傳熱過程數(shù)學(xué)模型同樣表明糟醅持液量與基酒產(chǎn)量成正相關(guān)，但對乙醇提取率影響不大，糟醅液相中乙醇占比的增加可提高乙醇的提取率。該項研究對白酒甑桶蒸餾過程中乙醇的提取提供了理論解釋，并說明了影響基酒產(chǎn)量和乙醇提取的因素，為工藝的優(yōu)化提供了一定理論指導(dǎo)。

對于白酒蒸餾過程中主要風(fēng)味物質(zhì)的傳質(zhì)動力學(xué)研究，李海龍建立了基于膜阻力模型的半經(jīng)驗數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)乙醇、正丙醇、正丁醇、異丁醇等組分會出現(xiàn)初始氣液相平衡區(qū)，蒸餾前期提取量與時間成正比，后期提取速率逐漸降低；乙酸乙酯、己酸乙酯、丁酸乙酯等組分沒有相平衡區(qū)出現(xiàn)，蒸餾提取速率不斷降低。Stults的研究則表明揮發(fā)性組分在固相中的擴散對蒸餾提取有很大影響，指出了固態(tài)蒸餾過程中風(fēng)味物質(zhì)擴散提取的關(guān)鍵控速步驟，為提高風(fēng)味物質(zhì)蒸餾提取率提供了理論參考。

通過建立數(shù)學(xué)模型對上甑蒸餾過程進行模擬計算能夠較好的反映甑桶蒸餾過程中溫度、壓力及物質(zhì)組分的變化規(guī)律，對解釋甑桶蒸餾的內(nèi)部機理和優(yōu)化工藝參數(shù)有重要意義。宋建勛將甑桶類比為填料塔，構(gòu)建了一種可用于預(yù)測上甑蒸餾過程的機理模型，該模型能夠通過輸入糟醅和蒸汽的參數(shù)預(yù)測上甑過程糟醅溫度分布及變化和流酒過程乙醇餾出濃度的變化。尹航從薄層干燥的角度，建立了固態(tài)蒸餾在特定條件下的數(shù)學(xué)模型并基于實驗數(shù)據(jù)擬合，研究了固態(tài)蒸餾過程中酒醅的水分含量隨時間和蒸汽脈動頻率的變化。

白酒蒸餾糟醅的多孔介質(zhì)屬性及糟醅在整個蒸餾過程中的狀態(tài)不斷改變所導(dǎo)致的傳質(zhì)傳熱的復(fù)雜性使得甑桶蒸餾的數(shù)學(xué)描述十分困難。目前仍未建立起能夠準確描述整個上甑蒸餾過程的機理模型，已有的模型大多為半經(jīng)驗?zāi)Ｐ突蚍€(wěn)態(tài)模型，對甑桶蒸餾的微觀動態(tài)變化缺乏深入的認知，要構(gòu)建適合于甑桶固態(tài)蒸餾的數(shù)學(xué)模型還需要進一步研究甑桶蒸餾的基礎(chǔ)理論。

2 白酒蒸餾技術(shù)及分析

2.1 影響蒸餾效果的因素

2.1.1 糟醅特性

糟醅的理化性質(zhì)如水分和乙醇含量會影響基酒產(chǎn)量和風(fēng)味物質(zhì)提取，不同發(fā)酵狀態(tài)、不同層次的糟醅的水分含量和乙醇含量以及香味成分有所不同。同等條件下，乙醇含量相同的糟醅，低水分糟醅蒸餾后出酒量多于高水分糟醅，能餾出更多己酸乙酯，高水分糟醅可餾出更多有機酸和乳酸乙酯，與有機酸和乳酸乙酯易溶于水的特性有關(guān)。在固定蒸汽流量下，出酒率由糟醅水分和乙醇含量共同決定，較高的乙醇含量或較低的水分能夠得到相對較高的產(chǎn)酒率。

糟醅的質(zhì)構(gòu)特性如黏度、疏松度等同樣會影響蒸餾效果。酒醅的質(zhì)構(gòu)特性與發(fā)酵效果、水分含量、原輔料添加等均有關(guān)系，在上甑前將糟醅、糧谷原料與稻殼等拌和能夠有效提高糟醅疏松度，保證蒸餾效果和下輪發(fā)酵質(zhì)量。有研究者引入土壤學(xué)中的孔隙度概念并建立了糟醅孔隙度的測定方法，實驗數(shù)據(jù)表明糟醅孔隙度和水分含量與輔料添加量有較好的線性關(guān)系，說明通過添加輔料能夠較好地控制糟醅特性，根據(jù)出窖糟醅特性適量添加輔料能夠提高蒸餾效率和基酒質(zhì)量?！拜p撒勻鋪”“探汽上甑”也是使甑內(nèi)糟醅均勻疏松的重要技術(shù)操作，能夠增大傳質(zhì)傳熱界面，達到更好的蒸餾效果。

2.1.2 醅層高度

把甑桶看作一個填料塔，糟醅既是填料又是被處理的物料，糟醅的裝填高度會影響蒸餾效果。楊平等研究表明蒸餾效率隨著醅層高度的增加而提高，在醅層高度相同時，小直徑的甑桶蒸餾效率高于大直徑的甑桶，說明增大甑桶高徑比或者提高裝甑高度可強化蒸餾，提高蒸餾效率。糟醅裝填高度的增加延長了蒸汽的運動路徑，有利于乙醇的富集和風(fēng)味物質(zhì)的提取。但裝甑高度不能無限制的增加，超過一定高度時蒸餾效率與裝甑高度成反比，醅層過高甑桶底部的糟醅會受重力作用被壓緊，降低糟醅孔隙率，加大傳質(zhì)傳熱阻力，不利于乙醇和風(fēng)味物質(zhì)的提取。用雙層或多層篦子進行蒸餾可在提高醅層高度同時避免糟醅被壓緊。多個分體式甑桶疊加的塔式蒸餾或許是未來白酒固態(tài)蒸餾的一個發(fā)展方向。

2.1.3 蒸汽大小

現(xiàn)代白酒蒸餾普遍采用蒸汽加熱，將過熱蒸汽通入底鍋中加熱底鍋水，底鍋水產(chǎn)生飽和蒸汽加熱糟醅。生產(chǎn)中可通過控制過熱蒸汽的流量或壓力來調(diào)節(jié)上甑、流酒速度，蒸汽參數(shù)也會影響乙醇和風(fēng)味物質(zhì)的提取效果。隨著上甑氣壓的增大，基酒產(chǎn)量呈先升后降的拋物線變化，說明以基酒產(chǎn)量為指標，存在最佳上甑氣壓。上甑氣壓還會影響風(fēng)味物質(zhì)的餾出從而影響基酒的風(fēng)味組成，大汽快速上甑會導(dǎo)致基酒乳酸乙酯含量增加，己酸乙酯在前中期餾出量減少，在尾段中的含量增加并降低基酒中的雜醇油含量。

流酒階段的蒸汽控制同樣重要，徐鴻飛等的研究表明流酒時采用低蒸汽壓力產(chǎn)酒量更高，更有利于風(fēng)味物質(zhì)的提取，基酒口感更純正，所以在白酒生產(chǎn)中一直秉持“緩火餾酒”的原則。近年研究發(fā)現(xiàn)緩火蒸酒同樣存在弊端，緩慢蒸餾使原輔料受熱時間更長，甲醇和糠醛主要由原輔料中的果膠質(zhì)和多縮戊糖受熱分解產(chǎn)生，采用緩火蒸酒時基酒中的甲醇和糠醛含量會更高。萬波的研究表明隨著蒸汽流量的增加，蒸汽對糟醅的“托舉”作用加強，可使糟醅孔隙變大、對蒸汽的阻力系數(shù)減小，說明在生產(chǎn)中處理黏膩的糟醅時可適當(dāng)加大上甑和流酒蒸汽壓力。在流酒過程中蒸汽過小不足以使乙醇充分蒸發(fā)，蒸汽過大則使糟醅糊化，增大乙醇和風(fēng)味物質(zhì)的擴散速度，說明流酒階段存在最佳蒸汽流量，不同特性的糟醅具有不同的最佳蒸汽流量。

蒸汽大小不僅會影響基酒產(chǎn)量和質(zhì)量，在采用續(xù)糟發(fā)酵工藝的白酒生產(chǎn)中本輪取酒的蒸餾操作會影響原料的糊化和糟醅的理化性質(zhì)等從而影響下一輪次的發(fā)酵，蒸餾過程中蒸汽越大，出甑糟醅酸度、水分越低，有機酸、酯類、吡嗪類等香味物質(zhì)損失越多，在保證蒸煮糊化效果的前提下，應(yīng)盡量將蒸汽流量控制在一個合理的范圍。

綜上所述，上甑和流酒階段均存在最佳的蒸汽大小，但具體采用何種參數(shù)，仍需根據(jù)企業(yè)自身工藝、設(shè)備、蒸汽條件等選擇出相對適合的蒸餾操作參數(shù)。

2.1.4 流酒溫度

流酒溫度會影響風(fēng)味物質(zhì)的餾出，不同香型白酒采取的流酒溫度不同。大多數(shù)香型白酒采用中溫流酒，溫度在20～35℃范圍內(nèi)；醬香型白酒由于其獨特的風(fēng)味特點采用高溫流酒，接酒溫度在35～45 ℃；芝麻香型白酒融合了濃香型和醬香型的工藝，接酒溫度一般控制在35 ℃左右。較高的流酒溫度（35 ℃以上）會造成己酸乙酯、乙酸乙酯、丁酸乙酯等醇溶性酯類的明顯損失，乳酸乙酯等水溶性物質(zhì)的餾出量會明顯增加。因此濃香型和清香型等以酯類為主體風(fēng)味的白酒一般采用較低的流酒溫度以提高酯類物質(zhì)的提取；醬香型白酒則采取高溫流酒的方式將高沸點、水溶性的風(fēng)味物質(zhì)收集于酒中，同時去除含硫化合物以及乙醛、丙烯醛、硫醇等雜辣物質(zhì)，減少新酒貯存時間。

2.2 減壓蒸餾

減壓蒸餾又叫負壓蒸餾，通過真空泵造成一定的真空度后進行蒸餾，在減壓條件下物質(zhì)沸點降低，餾出規(guī)律改變。減壓蒸餾常用于液態(tài)蒸餾，能夠有效減少蒸餾酒中的乙醛和糠醛含量，目前針對白酒固態(tài)糟醅進行減壓蒸餾的研究還不是很多。

楊生智用小曲白酒的糟醅進行了減壓蒸餾實驗，發(fā)現(xiàn)減壓固態(tài)蒸餾會降低乙醇和醇類、酯類、醛類等醇溶性物質(zhì)的提取率，提高乙酸的提取率，減壓蒸餾后酒中的成分種類少于常壓蒸餾，在酒度小于50%vol時采用減壓蒸餾的酒感官質(zhì)量好于常壓蒸餾。中試水平的蒸餾試驗發(fā)現(xiàn)真空度越大，乙醇損失越多，主體酒采用較大的真空度，尾酒采用較小的真空度獲得的酒感官質(zhì)量更好，更干凈。

減壓蒸餾可降低酒醅中乙醇和風(fēng)味物質(zhì)的沸點，從而大幅減少蒸汽和冷卻水的用量，糟醅和原輔料也不會因高溫產(chǎn)生特殊氣味，香氣更加自然，酒體風(fēng)格更純正。固態(tài)減壓蒸餾存在乙醇提取率低，高度酒中風(fēng)味物質(zhì)含量少的缺陷。減壓蒸餾技術(shù)是否能夠應(yīng)用于中國白酒生產(chǎn)，又該如何優(yōu)化蒸餾參數(shù)，還需要進一步研究討論。

2.3 二次蒸餾

甑桶蒸餾有著極高的蒸餾效率，成熟的糟醅通常只蒸餾一次就能得到高濃度基酒，對基酒進行二次蒸餾是提高酒質(zhì)的有效手段，也是目前尾酒處理的主要方式。

吳晨岑采用不同方式對原酒進行二次蒸餾，發(fā)現(xiàn)壺式蒸餾效率最高，減壓蒸餾后的蒸餾酒香味最好。二次蒸餾能夠去除基酒中的異嗅味物質(zhì)和大部分雜醇油，縮短新酒陳釀時間。白酒中的塑化劑、EC（氨基甲酸乙酯）等有害物質(zhì)也可通過二次蒸餾有效去除。通過對比不同香型白酒二次蒸餾后的酒質(zhì)和感官效果發(fā)現(xiàn)，二次蒸餾較適用于濃香型原酒和豉香型原酒，可提高酒質(zhì)。也有研究發(fā)現(xiàn)對白酒進行常壓二次蒸餾后乙醛含量增加，乙縮醛含量減少，推測乙縮醛可能在酸作用下水解成了乙醛，說明常壓二次蒸餾不利于乙醛的去除。袁華偉發(fā)現(xiàn)在適宜的蒸餾條件下可高效濃縮尾酒中的乙醇并大幅降低乳酸、乙酸、乳酸乙酯等物質(zhì)含量，使酒體香氣、味覺效果較佳，說明通過二次蒸餾可以有效提高尾酒酒精度和酒質(zhì)，達到回收利用的效果，減少浪費。

游玲利用多級連續(xù)減壓蒸餾裝置對濃香型白酒原酒進行再蒸餾，發(fā)現(xiàn)經(jīng)減壓蒸餾、分段冷凝后可去除大部分甲醇、乙醛，乙醇、主要高級醇及除乳酸乙酯外的有益酯類集中在中高沸點餾出，乳酸、乳酸乙酯等高沸點物質(zhì)趨于保留在蒸餾釜內(nèi)，說明可通過改變減壓蒸餾的蒸餾和冷凝條件調(diào)整白酒風(fēng)味組分，為白酒風(fēng)味物質(zhì)的拆分與重構(gòu)提供了新的思路和方法，或許可通過此方法有針對地調(diào)整酒體中風(fēng)味物質(zhì)的含量比例，以提高基酒質(zhì)量或改變酒體風(fēng)格特點。

利用不同的蒸餾裝置，不同的蒸餾方法對白酒進行二次或多次蒸餾以達到提高酒質(zhì)的目的是可行的，可通過二次蒸餾提高質(zhì)量較差基酒質(zhì)量，回收尾酒、黃水中的風(fēng)味物質(zhì)。量質(zhì)摘酒被稱為白酒的“第一次勾調(diào)”，可通過調(diào)節(jié)不同的蒸餾條件對基酒風(fēng)味物質(zhì)進行定向調(diào)整，從蒸酒階段調(diào)控基酒風(fēng)味，獲得風(fēng)味協(xié)調(diào)的基酒，或通過特定的蒸餾方式生產(chǎn)風(fēng)格獨特的調(diào)味酒。

3 展望

隨著近年業(yè)界和科研人員們對白酒釀造微生物、釀造工藝、風(fēng)味化合物等方面的深入研究，釀造工藝不斷改善，白酒發(fā)酵質(zhì)量有較大提升。自動化設(shè)備的引入使得白酒生產(chǎn)效率大大提高，產(chǎn)能進一步擴大。目前固態(tài)法白酒的蒸餾環(huán)節(jié)仍存在蒸餾效率低下，風(fēng)味物質(zhì)提取率低的問題，導(dǎo)致發(fā)酵產(chǎn)生的風(fēng)味物質(zhì)大量殘留在糟醅中，做不到“豐收”，造成浪費。通過對蒸餾環(huán)節(jié)進行深入研究和優(yōu)化，對增加白酒產(chǎn)量、提升白酒的品質(zhì)以及傳統(tǒng)白酒釀造產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級都具有重要意義。

固態(tài)蒸餾研究的重點是進一步揭示糟醅風(fēng)味物質(zhì)提取的內(nèi)部機理，解釋糟醅在蒸餾過程中所起到的作用，推導(dǎo)出白酒固態(tài)蒸餾的操作方程，建立起中國白酒固態(tài)蒸餾數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建白酒固態(tài)蒸餾計算機模型，實現(xiàn)白酒蒸餾的計算機輔助分析與設(shè)計，完成中國白酒蒸餾理論及方法體系的建立，提高白酒品質(zhì)，更好的滿足消費者的需求。