塔式蒸餾過程中乙醇與風味物質變化規律研究

李 慶，劉 勇*，楊家平，石應國，孫云權

(1.四川輕化工大學自動化與信息工程學院，四川宜賓 644000；2.人工智能四川省重點實驗室，四川宜賓 644000；3.瀘州智通自動化設備有限公司，四川瀘州 646000；4.勁牌有限公司，湖北黃石 435000；5.復旦大學工程與應用技術研究院，上海 200433)

中國白酒作為世界六大蒸餾酒之一，具有悠久的歷史和獨特的風格。由于工藝的不同，形成了以濃香型、醬香型和清香型為代表的不同香型風格[1]，而各類酒的風味物質含量也有所差異，從而使它們呈現出獨特的香氣風格和特征。

白酒主要由乙醇和水構成，其中98 %～99 %為乙醇-水溶液，1 %～2 %則由各種微量物質組成。然而，這些微量物質恰恰決定了白酒的香型風味[2]。小曲清香白酒酒體柔和、醇甜爽凈、清香純正[3]，香氣以乙酸乙酯為主導，具有清雅、舒適、協調的復合芳香，深受現代年輕人的喜愛。

塔式蒸餾設備采用底部設有網狀支撐面分體式甑桶，它可以將整個酒醅由下而上分成層狀結構，使得不同層的酒液可以進行分離蒸餾。在每個甑桶的邊緣，預留了壓縮空氣冷凝器安裝孔，方便分層取酒，探究流酒過程中各層基酒的變化規律。

本研究利用氣相色譜法（GC）檢測塔式蒸餾過程中甑桶內部各層各餾段基酒的風味物質含量，以期找到蒸餾過程中乙醇及風味物質在時間和空間上的變化規律。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑及儀器

原料：同一批次的小曲清香型白酒固態發酵糯高粱酒醅，勁牌有限公司楓林酒廠。

試劑及耗材：AT.Lzp-930 mm 毛細管柱（柱長25 m，內徑0.32 mm，膜厚1.00 μm），中科院蘭州化學物理研究所；乙醛、乙縮醛、乙酸乙酯、甲醇、正丙醇、異戊醇、異丁醇、正丁醇、仲丁醇、乳酸乙酯（純度均≥98 %），上海安譜實驗科技股份有限公司。

儀器設備：LZZT-TS-1 塔式蒸餾設備，瀘州智通自動化設備有限公司；LZZT-ln-1 壓縮空氣冷凝器，瀘州智通自動化設備有限公司；LZZT-ZJ-2 智能摘酒設備，瀘州智通自動化設備有限公司；Agilent7820A 氣相色譜儀，安捷倫科技(中國)有限公司；DMA35 手持式密度計，安東帕（上海）商貿有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品處理

每次取樣結束后，使用手持式密度計檢測酒的酒精度，并對樣品進行編號。隨后將樣品集中移送至氣相色譜實驗室進行風味物質含量的檢測。

1.2.2 實驗方法

采用20 cm 高度的分體式甑桶，打開蒸汽后人工上甑，分體式甑桶至下而上堆疊放置，上甑結束后每層甑桶上安裝閥門開關和壓縮空氣冷凝器。分6 層、7 層、8 層、9 層在0.2 t/h 的蒸汽流量下進行塔式蒸餾實驗。取樣方式為開始流酒時，每隔15 min 在出酒口和各層壓縮空氣冷凝器出酒口進行取樣（10～12 mL），用手持式密度計檢測酒樣酒精度后再進行氣相色譜法檢測。實驗安裝如圖1所示。

圖1 塔式蒸餾每層甑桶取樣口分布

1.2.3 分析檢測

定量分析[4]：氣相色譜條件：以氮氣為載氣，柱流量0.8 mL/min，分流比20∶1；各種氣體流量：氮氣為25 mL/min、空氣為400 mL/min、氫氣為30 mL/min；升溫程序：起始溫度為65 ℃并保持4.6 min，以25 ℃/min 降至40 ℃，保持5 min，再以5 ℃/min升至100 ℃，保持13 min。

1.2.4 數據處理

使用Excel 和Origin2023 對酒樣的風味物質含量進行統計、分析、歸一化處理和相關性分析，并通過可視化工具繪制散點圖、折線圖、柱狀圖等，分析醅層間風味物質的變化規律。

2 結果與分析

2.1 摘酒口蒸餾過程中乙醇及風味物質變化

2.1.1 摘酒口蒸餾過程中乙醇濃度變化

智能摘酒設備安裝在摘酒口，可以監測流酒過程中基酒的酒精度。從圖2 可以看出，開始流酒時酒精度會有小幅度波動，后呈現穩定期，最后急速下降。當分體式甑桶總層數從6 層增加到9 層時，雖然流酒時間也隨之增加，但最高濃度差距不大。這是因為隨著甑桶層數的增加，上醅量也在不斷增加，基酒量也會隨之增加，在相同流速下會增加流酒時間。

圖2 塔式蒸餾6層、7層、8層、9層摘酒口流酒過程中酒精度變化

圖3 塔式蒸餾摘酒口流酒過程中風味物質的變化

2.1.2 摘酒口蒸餾過程中風味物質的變化

乙醛、乙酸乙酯、乙縮醛在蒸餾過程中集中于頭酒流出，含量隨著流酒時間的延長急速降低，異戊醇、異丁醇、正丙醇含量含量緩慢下降，只有乳酸乙酯是隨著流酒時間的延長不斷升高。乙醛、乙酸乙酯、乙縮醛沸點低，且易溶于乙醇，所以集中在頭酒階段隨著高濃度的乙醇一起餾出；乳酸乙酯沸點高、分子極性大，且易溶于水，蒸餾后期乙醇濃度低，尾酒中水占比大，因此乳酸乙酯在尾酒中不斷升高[5]。

2.2 甑桶內部蒸餾過程中乙醇及風味物質變化

2.2.1 風味物質與酒精度的相關性分析

采用Origin2023 分別對6 層、7 層、8 層、9 層塔式蒸餾分層分餾段的酒樣數據進行歸一化處理，對酒樣酒度與風味物質進行相關性分析，可以看出正丙醇、異戊醇和酒精度具有高度正相關性；乙酸乙酯、乙縮醛、正丁醇與乙醛具有高度正相關性；異丁醇、異戊醇、仲丁醇與正丙醇具有高度正相關性，且隨著上甑層數由6 層增加到9 層，各風味物質之間的相關性更加明顯。

2.2.2 蒸餾過程中各層各餾段酒精度變化

從圖5 可以看出，乙醇濃度在每一層都呈不斷下降的趨勢，而同一時間乙醇的濃度呈從底層到頂層不斷上升的趨勢。說明在固態蒸餾過程中，在加熱蒸汽的作用下，酒醅中的乙醇組分被蒸汽帶動向上運動，遇到上層的冷醅層冷凝下來，由于蒸汽不斷地傳遞熱量，乙醇又繼續汽化向上升，再遇到冷醅層，又被冷凝下來。如此不斷地以“汽化冷凝再汽化”的模式使乙醇蒸汽進行濃縮而達到濃縮、提取的目的，以此將酒精含量4%vol左右的發酵酒醅分離濃縮成酒精含量為60 %vol～80 %vol 的高度白酒[6]。

2.2.3 蒸餾過程中各層各餾段風味物質變化

2.2.3.1 蒸餾過程中醛類物質含量變化

醛能夠增強白酒的特性，促進酒的放香，并使白酒凈爽、微甜，還能促進老熟反應，加快白酒的陳釀。白酒中的乙醛不僅對飲用者的身體健康存在潛在危害，而且是引起醛雜味的主要組分之一，對白酒品質具有重要影響[7]。從圖6(a)可以看出，流酒過程中乙醛含量在每一層都大體呈不斷下降的趨勢，在流酒開始時刻，高濃度區集中在頂層，在流酒開始階段餾出，故頭酒中乙醛含量較高。從圖6(b)可以看出，乙縮醛在蒸餾過程中主要集中在流酒開始階段餾出，在開始流酒時，一層至四層的乙縮醛含量幾乎為零，說明一層至四層在不斷升溫的過程中，乙縮醛被蒸汽不斷向頂層濃縮富集，符合乙縮醛沸點低、易溶于乙醇的物理特性，五層至九層中的乙縮醛含量隨著層數升高不斷上升，最高達到了0.38 g/L。隨著時間延長，其在每一層中的含量不斷下降，在流酒后半段消失不見。

2.2.3.2 蒸餾過程中酯類物質含量變化

白酒的微量成分中，酯類物質占據最大比例，對于其香味有著非常重要的作用，多呈現果香，可在不同程度上增加酒的香氣[8]。對于小曲清香型白酒來說，乙酸乙酯作為它的主體香味物質，對風味影響非常顯著。從圖7(a)可以看出從一層到九層乙酸乙酯含量不斷升高，最高達到了3.3 g/L，且隨著流酒時間的延長，乙酸乙酯的含量不斷下降。

酯類之中的乳酸乙酯也是十分重要的風味物質，乳酸乙酯具有沸點高、分子極性大、易溶于水的特點。從圖7(b)中可以看出，在開始流酒時，低層的乙醇基本被濃縮富集到高層，水蒸氣比重大，故流酒開始時乳酸乙酯的高濃度區在三層左右，隨著流酒的進行，高層酒醅溫度不斷升高，乙醇濃度不斷下降，乳酸乙酯在高層的含量不斷升高。

2.2.3.3 蒸餾過程中醇類物質含量變化

白酒中甲醇是毒性較強的一種物質，一般含量不超過0.1 g/L[9]。圖8(a)是蒸餾過程中甲醇的含量變化，可以看出甲醇在白酒蒸餾過程中從一層到九層呈現不斷上升的趨勢，且隨著流酒進行，甲醇含量在一層至七層不斷降低，在八層、九層呈現先上升再降低的趨勢。在蒸餾過程中始終低于0.1 g/L，符合白酒健康標準。

圖8 蒸餾過程中醇類風味物質含量變化

其他高級醇，例如異丁醇、仲丁醇、正丁醇、正丙醇、異戊醇等均和乙醇在蒸餾過程中的變化趨勢一致，如圖8(b)—圖8(f)所示。

3 結論

塔式蒸餾過程中，乙醇在蒸汽和上層冷醅的作用下不斷“汽化—冷凝—汽化”，不斷向頂層富集，造成底層乙醇濃度低、頂層濃度高，隨著流酒的進行，每層的乙醇濃度不斷降低。風味物質方面，醛類物質均集中于流酒前期餾出，但區別在于流酒過程中乙醛在每層之間變化不大，而乙縮醛底層（一層至四層）的含量幾乎為零；酯類物質中乙酸乙酯和乳酸乙酯呈現完全相反的變化規律，隨著流酒進行，乙酸乙酯含量不斷下降，乳酸乙酯含量不斷上升；醇類物質中甲醇含量從一層到九層呈不斷上升的趨勢，且隨著流酒進行，甲醇含量在一層至七層不斷降低，在八層、九層呈現先上升再降低的趨勢，其他高級醇均與乙醇的變化規律一致。