物理方法在白兰地和白酒催陈中的研究进展

张苗苗，曹国珍，缪建顺，李文建，陆 栋，*

（1.中国科学院近代物理研究所，甘肃兰州 730000；2.兰州大学药学院，甘肃兰州 730000；3.西北师范大学生命科学学院，甘肃兰州 730070；4.甘肃省微生物资源开发利用重点实验室，甘肃兰州 730000）

物理方法在白兰地和白酒催陈中的研究进展

张苗苗1，4，曹国珍1，2，缪建顺1，3，李文建1，4，陆 栋1，4，*

（1.中国科学院近代物理研究所，甘肃兰州 730000；2.兰州大学药学院，甘肃兰州 730000；3.西北师范大学生命科学学院，甘肃兰州 730070；4.甘肃省微生物资源开发利用重点实验室，甘肃兰州 730000）

物理方法以其作用快速，无额外添加物等特点在白兰地和白酒催陈中得到国内外的一定认可，采用物理方法对白兰地和白酒进行催陈，可以改善酒的口感和品质、缩短陈酿周期、提高企业效益。文中重点介绍了电场、超重力场、超声波、微波等物理方法在白兰地和白酒人工陈酿中的作用原理及应用优缺点等方面的研究进展；对物理方法用于白兰地和白酒催陈的作用机理作了总结，并展望了新方法的发展方向和应用前景。

白兰地，白酒，物理方法，人工催陈

酒按照制造工艺和性质可分为蒸馏酒、发酵酒、配制酒3大类。蒸馏酒是指通过蒸馏发酵原酒或发酵醪以及酒醅等而得的高度蒸馏酒液，代表产品有法国的白兰地及中国的白酒[1]。新酿造出的酒称之为新酒，其口感和酒体较差，为了增加酒香味，使口味变得协调甘绵柔和，需在陶罐或橡木桶等特制容器中进行陈酿，白兰地和白酒的陈酿老熟是提高其质量的重要技术措施，也是厂家生产中的重要组成部分。对白酒而言，出厂前需要贮存老熟1~3年[2]，而白兰地至少需要2年以上[3]。老熟期的长短直接决定了酒类产品的市场占有率和生产厂家的经济效益。因此，在保证质量的前提下，采用各种物理方法缩短酒的老熟期，成为各大生产厂家及酒类研究人员努力的目标。近年来，国内外研究人员采用电场、加热或冷冻、超高压射流、超声波[5-28]等物理方法对白兰地、白酒进行催陈处理，并取得了一定成功。本文重点对近几年国内外用于白兰地和白酒催陈的物理方法的作用机理及应用优缺点等方面做一综述，通过深入探讨研究物理方法对白酒催陈的作用机理，进而为多种物理方法在酒类催陈方面的综合应用提供参考和建议[4]。

1 白兰地的物理催陈方法

1.1 电场催陈

外加电场加速了分子的运动速度和化学反应速度。电场提供能量，促使分子的电离，降低了反应所需的活化能，提高了分子间的有效碰撞率，加快了处于动态平衡的化学反应速率，加速了氧化还原、缔合、水解等反应的进行，同时促进了橡木中酚类化合物的浸取与扩散[5]。

张斌及其团队在电场催陈白兰地方面展开了深入研究。在经中度烘烤的5L和2L橡木桶两端施加50kV的电压，于15~20℃，65%~72%的湿度下每天处理12h，连续处理15个月，发现电场处理样中酚类、酯类及β-苯乙醇等物质含量均高于同条件下的自然陈酿样，而甲醇及杂醇油的含量低于自然陈酿样，醛类和酸类物质的增幅也小于同期同容积的自然陈酿样，说明了电场处理在促进橡木桶中酚类物质溶出，酯类物质合成的同时也能促进低沸点物质的挥发。与添加橡木粉、片、丁等传统陈酿相比，电场处理样中的单宁、总酚、易挥发酚类及香草醛、丁香醛、没食子酸等的含量要高于同期对照样[5-6]；并且，结合白兰地萃取橡木中酚类化合物的动力模型可进一步证实电场在白兰地萃取橡木酚类化合物过程中所起的促进作用[7]。通过张斌及其团队的一系列研究，可以肯定的是电场用于白兰地催陈具有一定的实用价值，并且实验装置成本较低，操作灵活，安全无污染，可以根据不同生产规模调整处理量，非常适合企业的工业化生产[6]，但是已有研究仅限于实验室条件，研究对象及电场强度单一，处理时间较长（15个月），对各种酚类物质之间存在的内在关系也未进行深入探讨，所以将其用于实践生产需综合考虑多种因素，逐步实现从实验室到中试再到工业生产的过渡。

1.2 加热或冷冻催陈

加热处理属于低能量催陈法，由于外部提供的能量较低，不足以使酒中分子发生化学键的断裂，但是提供的热量可促使醛类、酯类等物质挥发；而冷冻等低温处理在增加酒体稳定性的同时，可除去酒中引发浑浊或沉淀的物质，改善酒类品质。如陈计峦采用加热及短时间冷冻的方法对香梨白兰地进行处理，得出热处理及冷冻处理均可改变白兰地中乙醛、乙缩醛、乙酸乙酯的物质含量，特别是加热处理会造成酯类物质含量的降低，影响白兰地口感。因此，选择升降温度的方法对白兰地进行处理，需谨慎对待[8]。为了避免单纯的升温处理导致“回生”现象的发生，陈志炎等采用0~40℃及0~50℃交替变温的方法对银杏白兰地进行了陈化处理，发现温度的交替变化有利于橡木中单宁等物质的溶出和乙醇及低沸点醛类物质的挥发。通过对各项指标的对比分析后得出：0~ 40℃交替变温的方法对银杏白兰地的陈化效果优于0~50℃交替变温及常温陈化[9]，但是如果温度控制不当，产生的热效应会破坏白兰地酒的香味成分，严重时可导致白兰地酒色泽的劣变。相对于单一的加热或者冷冻处理，温度的交替变化有利于提高白兰地酒的品质，但是这种方法能量损耗较大，并且无法在短时间内完成温度的交替，所以该方法不适合用于白兰地的工业化催陈。

2 白酒的物理催陈方法

2.1 超重力旋转填料床催陈

超重力旋转填料床技术是一种新型强化传递过程的技术，通过高速旋转的床体产生强大的离心力场模拟超重力环境，使气-液、液-液和液-固2相在超重力环境下的多孔介质或孔道中流动接触，巨大的剪切力将液体撕裂成微米至纳米级的液膜、液丝和液滴，微管混合和传质过程得到极大强化[10]。乔华及其团队借助超重力旋转填料床的作用特点，将新酿汾酒引入到自主研制的多级雾化超重力旋转白酒催陈装置中（图1），通过正交实验得出超重力旋转床对新酿汾酒的最佳催陈条件是：酒液流速80L/h，酒温45℃，气体流速900L/h。在此条件下，处理过的新酒与自然陈酿两年的酒在口感评价上一致，并且只需对旋转床的工艺参数进行改进，该技术就可用于各种酒类产品的催陈，基于此技术申请的发明专利已获授权[11-13]。超重力旋转填料床技术作为一种强化的传质技术，处理过程充分考虑了白酒陈化过程中的氧化还原反应，并且整个过程在可控条件下进行，能耗小的同时又能保证白酒的香气成分无不良挥发，处理时间短，设备简单成熟易于推广使用。

图1 白酒超重力旋转催陈装置Fig.1 High-gravity field setup on liquor aging

2.2 超高压射流催陈

超高压射流技术的基本工作原理是将普通的水或其他需处理的液体过滤，然后通过特定的转能装置（高压泵或增压器），把机械能转换成压力能，再将压力能转变成动能，从而形成高速射流[14]，整个能量转换过程中，增压器是形成液体能量聚集的关键，喷嘴则是射流形成的关键[15]。

陈波等基于超高压水射流瞬间卸压技术开发出一 套 酒 精饮 料催 陈 系 统 ，该 系 统 设 备 如 图2所 示[16]。白酒通过该系统时极性分子间的亲合力和缔合度增加，形成大且牢固的极性分子缔合群，降低了乙醇等分子的活度，使白酒口感变的绵软柔和。

近年来，西南交通大学的研究人员采用超高压水射流技术对白酒进行催陈处理，并对其催陈效果做了广泛及深入的研究。2010年樊迪等采用常压（0.1MPa）至350MPa超高压水射流对新酒进行催陈，发现随着压力的升高，白酒中总酸、杂醇油、总酯的含量 分 别 呈 上 升 、降 低 、降 低 的 趋 势[17]，经 专 业 人 员评价350MPa超高压处理的白酒放置3个月后，口感相当于自然老熟12个月以上的白酒；250MPa处理的白酒放置6个月后，口感相当于自然老熟2年以上的白酒[18]。2011年刘睿颖等采用同样的技术对白酒进行 处 理 ，得 到 的 结 论 与 樊 迪 等 的 研 究 结 果 一 致[19]。2012年黄义娜等利用此技术处理浓香和酱香两种白酒，通过气相色谱检测后发现，随着压力的升高，浓香型白酒中己酸乙酯、丁酸乙酯、乙酸乙酯的含量呈上升趋势，乳酸乙酯的含量呈下降趋势，酱香型白酒中的丁酸乙酯、乙酸乙酯的含量呈上升趋势，其他两种酯类呈下降趋势，综合气相色谱检测结果和专家品评，得出经超高压射流催陈后的白酒风味和口感优于新酒[20]。同年申圣丹等通过超高压射流对新酿白酒进行了50~300MPa间6个层次的压力处理，以总酸、电导率、异戊醇/异丁醇、四大酯为指标与常压下的新酒进行对比，得出随着压力的升高，各指标的变化趋势与自然陈酿一致的结论[21]。超高压射流作为一种成熟的技术用于白酒催陈，其设备稳定，操作简单，只需一两个人就能完成整个过程，可实现连续生产和间歇式生产的转变，处理量可根据生产规模自由调整，实施成本及劳动成本较低，是一种理想的白酒催陈方法，并且其适用范围较广，在工业生产中可用于新酒及不同香型白酒的人工催陈。

2.3 超声波催陈

超声波增加各类物质分子活化能[22]的同时还可增加水、醇、醛、酸、酯等极性分子间的亲和力，增强乙醇和水分子的缔合度，形成大且牢固的极性分子缔合群[23]。另外，超声波可增加分子动能，加速硫化氢、乙醛等低沸点成分的挥发，使其逸出酒外[24]。向英等采用低频超声对豉香型白酒进行处理，经气相色谱检测几种主要酸类、酯类及杂醇油后发现，超声处理样的酒度降低、酸度上升、总酯含量上升、杂醇油含量下降。与自然陈酿相比，适当条件下的超声处理能加速新酒陈化，提高产品质量，但最佳处理条件及控制方法还有待探索[25]。曹志新等[26]采用20kHz的超声波对浓香型白酒处理后发现，当处理时间为60min时，白酒的感官指标最高，并提出超声处理除了改变白酒的度数、总酸、总酯、甲醇和杂醇油的含量外，还加速了白酒中硫醇、氨等低沸点成分的挥发。望开庆等[27]发明了一种利用超声波促进白酒陈化的装置，实验装置如图3所示。利用该装置处理一般酒类10min相当于缩短一年的陈化时间。徐志军等[28]公开了一种促进白酒陈化老熟的超声盐雾化方法，其实验流程如图4所示，该方法综合应用了超声雾化技术与多孔材料，可一次性完成对新出基酒的去浊、陈化老熟和增香。以上研究均表明适当的超声处理可加速白酒的陈化作用，改善白酒品质，并且超声陈化技术操作简单，生产成本低，可行性强。但是现阶段对超声陈化处理白酒后的回生现象及酒样稳定性测试的研究相对较少，缺乏对酒体中易氧化物变化的检测及分析。因此，只有解决了以上各种问题后，才能使其在白酒催陈中得到广泛及良好的应用。

图3 超声波白酒陈化装置Fig.3 Ultrasonic setup on liquor aging

图4 超声盐雾化催陈白酒技术路线Fig.4 Ultrasonic salt atomization of technical route on liquor aging

2.4 高电压脉冲电场催陈

高电压脉冲电场是把液态食品作为电解质置于容器内，与容器绝缘的两个放电电极通过高压电流，产生电场进行作用的加工方法[29]。将引入的电场作为能量，加速酒中的氧化和酯化反应，使醇类物质和杂味物质减少，酸、酯和醛类物质适量增加，改善白酒品质[30]。赫桂丹采用自行设计的高电压脉冲电场装置对白酒进行催陈研究，确定了脉冲数=50，场强= 29.17kV/cm，助剂碳酸钠浓度=667ppm为高电压脉冲电场催陈白酒的最佳工艺参数。通过对催陈样感官品质的分析，证实了此参数下催陈的白酒化学指标和口感上都达到了自然陈酿6年白酒的水平[30]，表明高电压脉冲电场是一种有效的白酒催陈方法。但是高电压脉冲电场处理白酒的效果与氧化及酯化反应直接相关，而这些反应不是一蹴而就的，电离过程复杂多变，还包含了部分可逆反应，并且此研究是首次将高电压脉冲电场用于白酒催陈，故在后续的研究中还需开展多种酒样的大样本实验才能扩展高电压脉冲电场在酒类催陈中的使用范围。

2.5 红外线催陈

红外辐射产生的能量能使白酒的温度升高，白酒中分子的运动速度加快，单位时间内的碰撞次数增加，更主要的是温度和能量的升高会增加活化分子的比例，加快化学反应进程，所以采用红外线处理白酒，适当提高老熟期的温度，有利于新酒的陈酿[31]。裴沛在建立人工红外催陈白酒的理论基础上自行设计了人工红外催陈白酒的装置，在此装置上对洮儿河，洮南香和榆树钱三种白酒进行了红外处理，以其理化指标作为主要参数与成品白酒进行对比，印证了 红 外 线 处 理 在 促 进 白 酒 老 熟 方 面 具 有 可 行 性[32]。基于红外线的加热作用，采用此方法对白酒催陈时需进行适当搅拌以避免因温度过高而造成白酒中香味物质的挥发，影响白酒品质。故红外线催陈白酒的方法更适用于实验室研究，如要将其用于大生产还需对催陈设备进行改良，进一步探讨红外线处理对白酒催陈效果的影响。

2.6 电子束辐照催陈

电子束辐照的原理是由电子加速器产生的高能电子束射线间接使水和小分子物质辐解，产生-H、-OH等活性自由基，扩散出来的自由基通过自由基-自由基、自由基-分子反应生成新的物质或者消失，使 体 系 重 建 热 力 学 平 衡[33]，经 过 电 子 束 辐 射 后 水 分子会发生如下化学反应：

H2O→·OH（2.8）+e-aq（2.7）+H·（0.6）+H+（3.2）+ H2O2（0.7）+OH-aq（0.5）+H2（0.45）[34]，·OH 具 有 强 氧 化性，e-aq具有强还原性，它们可促进白酒中的氧化还原反应。以泸州老窖1573白酒为研究对象，采用能量为1.5MeV的电子束对其进行辐照处理，通过辐照前后白酒紫外吸收光谱及物质含量的变化，证实了经电子束辐照后1573白酒中酯类、酸类等物质含量的变化和白酒自然陈酿过程中的变化趋势基本一致，推测电子束对1573白酒有一定的催陈作用[35]。目前而言，电子束用于白酒辐照催陈属于现有技术的创新应用，如果辐照剂量过大，产生的新物质会对白酒口感及品质造成不良影响，故采用电子束辐照催陈白酒需经大量的实验验证，在确定最佳辐照条件后才能投入工业生产。

2.7 其他催陈方法

邱 重 晏 等[36]以 总 酸 、总 酯 和 乙 酸 乙 酯 为 考 量 指标，对比了微波、超声波、紫外和陶瓷粒对清香型白酒的处理效果，得出采用2450MHz微波结合陶瓷粒的复合方式处理清香型白酒5min时，催陈效果最佳，同时此研究结果也为其他香型白酒的物理催陈提供了实验依据。韩兴林等[37]采用高温、超声、紫外、激光对清香型原酒进行催陈处理后结合气相色谱法测定了处理样的微量成分，研究结果表明，紫外和激光提高了酒体的氧化速度，乙醛含量上升；而高温则加速了反应的进行，酯类与高级醇的含量有所下降，超声处理对原酒基本没有的影响，由此可见并非所有的物理方法都可用于白酒催陈。张超仁[38]基于高、低频超声波、紫外线光、恒磁磁化器等综合工艺手段，设计了一套可以起到“排杂”、“增香”和改善新酒口味的白酒催陈设备，该设备可促进新酒的早熟，提高新酒质量。采用该设备对白酒进行处理，只需十几分钟，可使陈酿过程缩短1年半至2年。

3 白兰地和白酒物理催陈方法的比较

白兰地和白酒均属于蒸馏酒，采用物理方法对其进行催陈处理，可改善酒的品质，目前对这两种酒的物理催陈研究以国内居多。以电场催陈白兰地和白酒为例进行比较分析可见，电场作用于白兰地可促进白兰地对橡木桶中酚类化合物的萃取及加速自身的氧化、酯化作用，衡量其老熟的指标以酚类及醛类物质为主，颜色变化为辅[5-6]，目前的处理对象及作用场强较为单一，研究仅限于实验室阶段。以高电压脉冲电场对白酒进行催陈可加速白酒中的氧化、酯化反应，同时能促进白酒中醇类和杂味物质的挥发，改善白酒品质，衡量其老熟的指标则以酸、酯、醛、醇类为主，与电场催陈白兰地一样，高电压脉冲电场催陈白酒的方法目前也是处于实验室开发阶段。白酒的物理催陈方法具有多样性，超声波、红外线、电子束等方法均可用于白酒催陈。除此之外，衡量白酒催陈样老熟的指标除了酸、酯、醛、醇外，在有自然陈酿样作对照的情况下，人工品评也可作为衡量催陈效果的另一重要指标。

4 结论与展望

采用物理方法对白兰地和白酒进行陈化处理主要是指由外界设施提供能量作用于酒中各类物质分子上，通过一系列物理化学变化，加快酒的老熟速度，使其在短时间内具有酒长时间贮存后自然老熟的风味。

对白兰地而言，物理方法催陈可促进白兰地的氧化作用，加快橡木中酚类物质的汲取与扩散，醛类物质的羧化，单宁、纤维素、半纤维素等物质的溶解、水解及缔合，这些反应都赋予了白兰地金黄透明的色泽，明显的橡木香和更加细腻、芳醇的口感[5]。对白酒而言，物理方法催陈增强了极性分子间的亲合力和各类物质分子的活化能，可提高分子间的有效碰撞率及加速低沸点成分的挥发。大部分的物理方法都是基于以上原理对白兰地和白酒进行催陈，并且取得了良好的效果，但是随着新酒质量的提高，这些方法在研究与应用中的催陈效果逐渐降低。例如加热或冷冻催陈，红外线催陈属于低能量催陈，在催陈过程中，如果条件把握不当，将失去部分易挥发的香味 成 分[23]，并 且 催 陈 过 程 中 酒 中 物 质 分 子 获 得 的 能量较低，容易出现“反生”现象。而像电场、超声波、电子束等属于高能量催陈方法，它们在快速改善酒口感的同时，容易生成预期外的新物质，并且同一催陈方法对不同酒的催陈效果各异，一定程度上限制了这些方法的推广应用[39]。所以在优化各类物理催陈方法的同时，组合利用各种方法的特点以弥补单独催陈过程中出现的不足，对酒的人工催陈具有促进作用。在众多物理方法中，电子束作为一种新的催陈方法是最为简便，也最容易控制的一种技术手段[40]，目前为止，该技术用于酒类催陈还处于研究探索阶段，在掌握最佳催陈条件的情况下开展多种酒类催陈实验，才能早日将其用于酒类催陈的大规模生产。

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Research progress in artificial aging of brandy and Chinese liquor with physical methods

ZHANG Miao-miao1，4，CAO Guo-zhen1，2，MIAO Jian-shun1，3，LI Wen-jian1，4，LU Dong1，4，*
（1.Institute of Modern Physics，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China；2.School of Pharmacy，Lanzhou University，Lanzhou730000，China；3.College of Life Science，Northwest Normal University，Lanzhou 730070，China；4.Key Laboratory of Microbial Resources Exploition and Application，Lanzhou 730070，China）

Physical methods are widely used for artificial aging of brandy and Chinese liquor due to the celerity and no additional additives.Physical methods could improve the taste and quality of brandy and Chinese liquor，shorten aging period，and improve enterprise benefit.We focused on research progress about mechanisms as well as the advantages and disadvantages of physical methods ， such as electric field ，high-gravity field ，ultrasound and electron beam which were applied for artificial aging of brandy and Chinese liquor.We summarized the mechanisms of these physical methods as well as development and future prospect of new methods.

brandy；Chinese liquor；physical methods；artificial aging

TS262.6

A

1002-0306（2014）22-0392-05

10.13386/j.issn1002-0306.2014.22.077

2014－02－27

张苗苗（1986-），女，硕士研究生，研究实习员，主要从事食品辐照与质量安全控制方面的研究。

* 通讯作者：陆栋（1979-），男，副研究员，主要从事辐射生物学方面的研究工作。

中国科学院西部之光人才培养计划项目（Y306010XB0）。