酒與化學(xué)

邱 東 中國科學(xué)院化學(xué)研究所研究員

酒與化學(xué)

邱 東 中國科學(xué)院化學(xué)研究所研究員

邱 東,中國科學(xué)院化學(xué)研究所研究員。主要從事膠體、高分子與界面現(xiàn)象以及先進(jìn)散射技術(shù)在材料多尺度結(jié)構(gòu)原位表征上應(yīng)用的研究。

化學(xué)是研究物質(zhì)轉(zhuǎn)化的一門科學(xué)。自從人類制得第一滴佳釀，酒和化學(xué)便結(jié)下了不解之緣。現(xiàn)代化學(xué)發(fā)源于19、20世紀(jì)之交，從其誕生之日起，隨處可見酒的身影。今年恰逢國際化學(xué)年暨居里夫人諾貝爾化學(xué)獎百年，又得劍南春集團(tuán)鼎力支持茶馬古道與劍南春酒文化研討會，有幸寫下片言只語，以表心中喜悅。

人類釀酒的原料多為含糖量較高的作物，如葡萄、紅薯、高粱、稻米、粟等。酒的釀制包含了很多的化學(xué)過程。淀粉在微生物（如酒曲）的作用下，逐步水解成單糖，后者繼續(xù)發(fā)酵，生成乙醇，本過程的化學(xué)本質(zhì)已經(jīng)非常了然。這一過程由于需要微生物的參與，其發(fā)酵環(huán)境就變得至關(guān)重要。總的來說，特定微生物需要成為優(yōu)勢菌種，并且需要保持一定的活性，因此對于環(huán)境中的氧氣、水質(zhì)及環(huán)境溫度要求比較高。通常可以看到的是在發(fā)酵前需要對器皿及原料進(jìn)行高溫處理，這一過程不僅能夠促進(jìn)淀粉的水解，更重要的是可以最大限度地滅菌，以減少原有菌種對發(fā)酵所需菌種的干擾；在發(fā)酵過程中通常實施隔絕空氣處理，降低環(huán)境中的氧氣含量，這一措施可以進(jìn)一步消除雜菌種對酒曲等的影響，因為酒曲可以在無氧環(huán)境中存活，而其它微生物一般需要氧氣；發(fā)酵過程往往采用各種保溫措施，以保持相對適宜的溫度，使酒曲的活性最大化。盡管近現(xiàn)代以來才為人類所認(rèn)識，但是人類在實踐中早已在使用釀酒過程中的這一化學(xué)原則。在酒的制備中，從口味來說，工業(yè)化學(xué)的方法目前還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到釀造酒的水準(zhǔn)，這暗示著在微生物釀酒過程中，其實還有很多未知的東西值得我們?nèi)ヌ剿鳌?/p>

自然釀制的酒一般濃度（乙醇含量）不會太高。這里面主要有幾方面的原因：首先，酒是從糖類轉(zhuǎn)化而來的，釀酒所用糧食的含糖量限制了最終生成乙醇的量；其次，釀酒用糧食吸水性很強(qiáng)，在前處理時會吸收大量的水（如水煮過程），這些水會始終存在，降低酒的濃度；另外，在發(fā)酵過程中，隨著乙醇濃度的升高，微生物的活性會逐漸減弱（正如酒精消毒一樣），從糖到乙醇的轉(zhuǎn)化過程會逐漸停止，從而抑制乙醇濃度的繼續(xù)上升。為了進(jìn)一步提高酒的度數(shù)，獲得所謂的烈酒，通常需要一個提純的過程。鑒于乙醇與酒的沸點有所不同（乙醇約780C，水約為1000C），通過蒸餾的方法可以實現(xiàn)乙醇的富集。但是水與乙醇的相容性太好，要實現(xiàn)二者的完全分離是非常困難的。在蒸餾酒的生產(chǎn)中，選取不同溫度的餾分可以獲得不同品質(zhì)、口味的產(chǎn)品。值得關(guān)注的是，酒的口感往往還與其他香味物質(zhì)（多數(shù)是酯類）有關(guān)，而這類物質(zhì)的揮發(fā)性非常好，在蒸餾過程中容易流失，不能不說是一個小小的遺憾，好在酒的陳化過程可以彌補這一損失，后面我們將談到這個問題。從現(xiàn)代化學(xué)的觀點來看，采用冷卻凝固的方法代替蒸餾可能是一個更好的選擇。乙醇的凝固點是零下100多度，遠(yuǎn)低于水的冰點，因此在冷卻時水將凝結(jié)成冰而分離出來，而香味物質(zhì)由于其較低的凝固點和良好的醇溶性可以保留在乙醇中。在沒有制冷設(shè)施的古代，蒸餾是古人的唯一選擇，但是在當(dāng)今時代，制冷的手段豐富，成本也還可以接受，或許冷卻凝固法是一個有益的選擇，也很有可能得到口感迥異的烈酒。類比于“燒酒”而言，姑且將冷卻凝固法做出的酒稱之為凍酒吧。

左：飲中八仙

中：武松打虎

酒是陳的香，這一點人們早已耳熟能詳，這是什么原因呢？酒中主要物質(zhì)是水和乙醇，外加一些其他小分子醛、醇及酯等。酒中能散發(fā)獨特香味的物質(zhì)通常是酯，酯的含量在酒的陳化時能有所增加，故而有年份酒一說。從化學(xué)角度來看，醇類在不完全氧化的條件下，可以逐步氧化生成醛及酸，而酸和醇進(jìn)一步反應(yīng)，則可以生成酯類（化學(xué)上稱作酯化反應(yīng)）。酯化反應(yīng)在沒有催化劑的情況下通常很慢，因此酒需要存放一定的年頭才能獲得所需的香味。另一方面，酯化反應(yīng)是一個可逆反應(yīng)，當(dāng)酯的含量到一定時將達(dá)到平衡，因此繼續(xù)存放已經(jīng)無法在香味上有所提高。從這個角度看，酒也不是越陳越香，到一定年限即可。酒的陳化，需要嚴(yán)格控制氧化過程，正如上面談到的，乙醇是會氧化成乙酸的。因此，如果密封不好，陳酒或許就成醋了。這一點上充分看出了古人的智慧。在酒存儲中，古人往往選用陶罐密封，其氣密性好，可以減少罐中氧氣的量，防止酒變醋。另一方面，古人還有另一個措施，就是窖藏。由于二氧化碳的密度遠(yuǎn)大于空氣，窖底氧氣濃度較低，可以提供額外保證。酒的陳化更多的是一個化學(xué)過程，應(yīng)該避免微生物參與，因此高度酒陳化起來更有優(yōu)勢，因為高度酒中微生物存活幾率更小，酒更不容易腐敗變質(zhì)。在現(xiàn)代科技條件下，控制氧氣含量進(jìn)而控制酒的陳化過程已經(jīng)變得比較簡單了，或許借助現(xiàn)代化學(xué)知識，酒的陳化過程能夠加速，制作的當(dāng)年就能享用到“陳年老窖”的美味亦非癡人說夢。

酒與人的佳話自古廣為流傳。飲中八仙，武松打虎，醉打金枝等無不被演繹成美好的傳說。世人也多以酒量來定人性，期盼能有海量來承載干云的豪情，夢想能千杯不醉。酒到了體內(nèi)終究要通過生物化學(xué)過程代謝掉，這里面自然就有人與人的差別了。酒的吸收通常是在胃里進(jìn)行的，其代謝主要在肝里進(jìn)行。在乙醇脫氫酶的作用下，乙醇首先會被氧化成乙醛，繼而在乙醛脫氫酶的作用下，乙醛被氧化成乙酸，最終分解為二氧化碳和水。看來酒入愁腸成相思淚也有一定的科學(xué)道理。如果此兩種酶均存在并且有效工作，酒的代謝很快即可完成，就不會有醉酒的遺憾了。雖然乙醇脫氫酶在大多數(shù)人體內(nèi)均存在，但缺乏乙醛脫氫酶的人卻比較多，因此乙醇難于很快被轉(zhuǎn)化成二氧化碳和水，而是以乙醛的形式大量存在，引起嘔吐、昏迷等醉酒癥狀。所以，酒量其實是天生的，鍛煉無法得到本質(zhì)的提高。由此可見，解酒或許能從增加乙醛脫氫酶含量方面入手，幫助普通人實現(xiàn)量的提升。即使善飲之人，在飲酒過量、過快時同樣也會發(fā)生醉酒癥狀。酶的活性與身體狀況和情緒等也是息息相關(guān)的，因而有時人的酒量也會隨著身體及心情而變化。常言道，酒逢知己千杯少，舉杯澆愁愁更愁，快樂飲酒，正是我們要提倡的。

化學(xué)研究中有諸多方面與酒有關(guān)，拋開人文不說，僅從科學(xué)的角度來看，酒在化學(xué)中就具有相當(dāng)?shù)闹匾浴Ｒ掖急旧硎且环N化學(xué)原料，可以由此制備酯類及乙醚等。乙醇是優(yōu)良的溶劑，可以承載很多化學(xué)反應(yīng)過程，并且經(jīng)常用來清洗儀器。在早期化學(xué)中，乙醇還是重要的熱源，作為酒精燈的主要燃料控制化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程。乙醇的諸多優(yōu)良物理化學(xué)性質(zhì)也必將隨著人們認(rèn)識的深入而獲得更多的應(yīng)用。最后，作為化學(xué)研究的主體，化學(xué)工作者和普通人一樣，在特定的情況下也需要酒文化來調(diào)節(jié)生活，也期待從美酒中孕育出美夢，激發(fā)出奇思妙悟，獲得不同尋常的創(chuàng)造力。

(統(tǒng)稿：本刊編輯夏炎)