酒的变频电场催陈机理研究

王鸣山，王胜男

（核工业理化工程研究院，天津 300180）

酒类的生产过程往往需要经过预处理- 发酵-陈酿- 勾兑- 过滤等生产工序，需要经过长时间陈酿之后才会变得口感成熟、芳香醇厚。传统陈化方法主要是将发酵蒸馏后的新酒放入酒窖中密封避光保存，陈化时间少则一两年，多则十几年甚至更久。由于陈化时间久、占地面积大，酿酒企业大量资金处于停滞状态。因此，越来越多的研究人员开始研究其他新方法，一方面能令酒体在短时间内达到其相当于窖藏陈酿的独特口感；另一方面又可降低企业成本，适应日益剧增的消费供应量。

酿酒催陈是一种人工加速酒陈化的过程。近年来，研究报道了多种陈化方法，如氧催陈法[1]、电脉冲催陈法、静电催陈法、臭氧催陈法、微波催陈法、冷热处理催陈法及超声波催陈法等[2-3]。上述方法中，高压静电场催陈法以其非接触酒体、低功耗、无热效应等显著优点已经在部分酒厂中推广应用，取得了较好的经济效益[4-5]。然而，对其催陈机理的讨论尚未得到理论上的支持。在上述研究的成果基础上，进一步探索变频电场催陈工艺理论和应用[6-7]。

1 变频电场催陈工艺机理

1.1 变频电场催陈装置结构

变频电场催陈酒类的实验装置主要由4 个部分组成：低压变频发生器、高压电场调压器、电场释放板和酒容器。

实验装置原理图见图1。

将装有酒的非金属容器放置在电场释放板之间的托板上，开启低压变频发生器，发生器通过单片机控制变频电路产生变频电信号，在高压电场调压器的放大下，获得满足工艺要求的陈化高压和陈化频率输出给电场释放板，形成放电电场[8-10]。密闭容器内的酒在变频电场作用下，使酒内部水分子产生共振效应，实现对酒的陈化。一般经过2～6 h 后关闭控制器电源，取出密闭容器，即可完成人工的老化陈化工艺过程[11]。

图1 实验装置原理图

1.2 催陈机理分析

1.2.1 酒溶液对变频电场能力的改变

将体积为V1的容器装满酒置于电场中，电介质分布发生改变。

酒体对电场的影响见表1。

表1 酒体对电场的影响

电场能量改变为：

因电场极板间的电荷分布不变，仅需对放入其中的酒容器体积V1进行积分，对于电场内部在酒容器中的酒容器外部则有公式（2）：

由公式（2） 可知，电源供电不变的条件下，电场介电常数增大，电场能降低，损失的电场能作用在酒容器内的酒体中，使其内部分子排布发生改变[12]。

1.2.2 变频电场对酒溶液的极化作用

酒可认为是以水为溶剂，以乙醇为主，复合丙烯醛、杂醇油、乙酸乙酯等有机化合物为溶质的溶液。乙醇和水都是极性分子，乙醇和水都可以自发形成氢键，两者之间也可形成氢键，可以任意比例互溶。宏观上，正负电荷等量，对外呈电中性，对内属于非对称分布。在外加的电场力作用下，按照热力学原理，乙醇和水分子趋向于能量最低的稳定存在状态[4-5]。

对酒体施加电场时，溶液分子的偶极矩增大，直至将水的缔合分子结构破解，而形成单一的极性分子结构。极性溶液分子在电场中按正负极顺序定向排列，溶液中的其他有机物，如醛类、硫化物、杂醇油等被水偶极子包围，形成水合分子簇，并按电极电位顺序排列与偶极子群中，不能自由移动[13]。

缔合水分子机理见图2。

图2 缔合水分子机理

这种极化作用形成的偶极子的偶极矩为：

α——极化率，J-1·C2·m2；

E——电场强度，V/m。电偶极子在电场中的电势能为：

电场与诱导偶极子的相互作用能为：

电场诱导静能量为：

目前的研究认为，多个H2O 分子之间可稳定为一种状态，在该状态下部分分子自发缔和为大分子团，同时大分子团又自发解缔为小分子团并保持动态平衡之中。利用外加变频电场对酒体进行作用时，在公式（3） 的电场诱导能量下，将打破原有的平衡状态，使溶液分子结构发生改变，醇水缔合物形成，减少了自由乙醇分子的数量，降低酒的刺激性气味。加速低沸点不溶性液体和气体（如乙醛） 挥发，提高了口感[14]。

1.2.3 高压变频电场对酒溶液的电离作用

高压电场下，酒体溶液中乙醇和水分子激发或电离产生等离子体，过程如下：

在持续的电场力作用下，体系中氢键断裂，发生进一步的分解反应。与此同时，OH-在失去电子后形成羟基自由基OH·，羟基活性自由基可在碰撞后合成过氧化物，具体过程如下：

由上述反应过程可见：①体系中，H+的增加使pH 值降低；②大量出现的等离子体，如O2-·，OH·，增加了体系导电性；③O2的减少，致使空气中氧分子向溶液中扩散，增加溶氧量。

这都将导致醇的氧化和酯的形成，有利于酒类陈化老熟。

以上的几种效果共同作用于一体，从不同的角度引起酒液内部发生变化，出现陈化效果[15-17]。

2 白酒变频电场催陈效果试验

2.1 试验用白酒及试剂

白酒为普通市售白酒，采购于电商平台京东商场。中国泸州老窖股份有限公司生产52%Vol 浓香型白酒，100 mL/瓶包装，每箱12 瓶。试验用白酒均为同一批次，出厂日期为2020 年1 月10 日的白酒。

主要试剂：二氯甲烷、酒石酸亚铁、酒石酸钾钠，天津大茂化学试剂场提供；磷酸氢二钠、磷酸二氢钾、氢氧化钠、邻苯二甲酸氢钾，国药集团化学试剂有限公司提供。

2.2 变频电场陈化设备

酒陈化设备采购于天津星拓科技发展有限公司产品“陈酿仪”，型号为CN-02。该设备输入电压为220V AC，极化场强500～8 500 V/cm 可调，陈化频率40～100 Hz，内部等电位阻抗8 MΩ，功率2 W。

2.3 分析设备

ATC-392 型手持糖度仪，昆山宏达光学仪器厂产品；UV-2401PC 型紫外分光光度计，日本岛津公司产品；Agilent 7890A /5975C 型气相色谱- 质谱联用仪（Gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）系统，安捷伦科技有限公司产品。

2.4 试验过程及工艺参数

随机将一箱中的12 瓶白酒每2 瓶分一组，共分6 组，分别在瓶身进行标记。

变频电场催陈试验过程及参数见表2。

表2 变频电场催陈试验过程及参数

2.5 试验评价指标

待处理结束后，取出酒液测定各项理化指标，进行感官评定和GS-MS 分析。

（1） 理化指标测定。总酸含量的测定通过滴定法，总酚含量的测定通过试剂比色法，糖度的测定通过手持式糖度仪。

（2） 感官评定。参照《GB/T 10345—2007》 白酒分析方法标准对对照和试验白酒进行感官品质评定。受试人数为25 人，21 名男性，4 名女性，平均年龄45 岁。

变频电场催陈酒感官品质评定及评分标准见表3。

表3 变频电场催陈酒感官品质评定及评分标准

（3） 香气成分测定。取样5 mL 置于20 mL 顶空瓶中，50 ℃下吸附40 min 进行富集后做气相色谱分析。

色谱条件：升温程序为起始40 ℃，保持5 min，以5 ℃/min 的升温速度升至260 ℃，保持时间10 min。载气为He，流量1 mL/min，进样口温度260 ℃，检测器温度280 ℃。

质谱条件：接口温度260 ℃，电离方式EI 电离源，电离电压70 eV，质量扫描范围40～600 m/z，四极杆温度170 ℃。

3 白酒变频电场催陈试验结果分析

3.1 不同的电场参数催陈对白酒感官品质影响

变频电场催陈酒感官品质评价见表4。

表4 变频电场催陈酒感官品质评价

由表4 可知，白酒经过电场催陈后，感官评分有所增加，并且随着电压、频率的增高和处理时间的延长，白酒生涩和刺激性味道逐渐减少，变得更加柔和饱满，香气沉实厚重，浓香特征明显[18-21]。

3.2 不同参数变频电场催陈对白酒理化指标的影响

白酒理化指标的影响见表5。

表5 白酒理化指标的影响

由表5 可知，白酒经过变频电场催陈后，总糖变化不大，总酸、总酚均下降，且随时间和电压频率的增加，下降趋势明显。

3.3 不同参数变频电场催陈对白酒香气成分的影响

变频电场作用后白酒香气微量成分影响见表6。

表6 变频电场作用后白酒香气微量成分影响

由表6 可知，白酒香气成分中，丙烯醛可使酒呈辛辣味，异戊醇入口后呈蛰舌苦涩，杂醇油具有刺激味道，经变频电场处理后这3 种成分均有所下降，减少了酒的刺激性气味，酒质得到改善；乙缩醛、己酸乙酯、总酯是白酒香气的主要成分，经变频电场处理后，均有所增加，提高了酒的香气[22-24]。

4 结论

对高压变频电场酒类催陈机理进行了分析，认为酒在变频电场的作用下出现多方面的变化，主要是：①酒溶液水合乙醇分子排布形式出现变化，由杂乱无章的排列变为水合分子簇的形式，并按电极电位顺序排列与偶极子群中，分子间的氢键破坏，降低酒的刺激性气味。②高压变频电场电离溶液体系分子形成等离子体，增加了体系导电性和溶氧量，促进醇的氧化和酯的形成，有利于酒类陈化老熟。③以市售白酒为研究对象，对白酒的理化指标、香气成分及感官品质进行分析。结果表明，变频电场催陈工艺对白酒品质有改善作用。合理调节处理工艺参数，找到一组适合不同酒种类的处理参数是完全可能的。