白酒蒸馏理论与技术的研究进展

刘芮荻，张宿义，，3，殷鹏飞，林 杨，敖宗华，杨 艳，贾俊杰，3，马 龙，3

（1.四川轻化工大学生物工程学院，四川宜宾 644000；2.泸州老窖股份有限公司，四川泸州 646000；3.国家固态酿造工程技术研究中心，四川泸州 646000）

中国白酒是一种历史悠久，文化底蕴深厚的蒸馏酒，以高粱等粮谷为原料，以酒曲为糖化发酵剂，经发酵、蒸馏、贮存、勾调制成，在世界蒸馏酒中独具一格。蒸馏是白酒生产的关键步骤，通过蒸馏可将糟醅中的乙醇和风味物质提取出来得到原酒。蒸馏决定了白酒能否由“丰产”到“丰收”，中国白酒所独有的固态蒸馏工艺对发酵完成的糟醅中风味物质的提取和酒体风格特征的形成起着至关重要的作用。

20 世纪80 年代酿酒业界和科研工作者就开始研究白酒固态蒸馏技术的原理以及风味物质馏出规律。由于试验条件限制加之甑桶蒸馏体系复杂，在几十年时间里，关于白酒蒸馏的研究一直停留在现象观察和规律总结层面。固态甑桶蒸馏的内部传质传热机理，糟醅中各种风味物质的提取及其在蒸馏过程中的产生和分解规律等问题，都没有得到很好的解决，导致中国白酒所独有的固态蒸馏技术理论体系一直无法构建起来，生产得不到科学理论的指导。近10 年来，随着数学模型、精馏理论等研究方法的应用，人们对白酒固态蒸馏有了更加广泛、深入的认识。

本文对固态甑桶蒸馏的理论、影响蒸馏效果的因素、固态减压蒸馏及原酒二次蒸馏等方面取得的成果进行了综述，展望了白酒固态蒸馏的研究方向，为科学认识白酒蒸馏技术、探究不同蒸馏方式对白酒风味物质提取的影响提供参考。

1 白酒固态蒸馏理论

1.1 固态蒸馏原理

固态蒸馏是指蒸馏过程物料间以气体为介质进行物质、能量、动能传递的蒸馏，是中国白酒独有的工艺，通过甑桶对酒醅进行蒸馏得到风味独特的白酒。装满酒糟后的甑桶可视为一个填料塔，装入的酒糟既是填料，又是被蒸馏的物料。在上甑蒸馏过程中物质交织形成液相、气相、固相同时存在的复杂界面，乙醇和其他香味物质不断汽化、冷凝、层层浓缩，最终将母糟中4 %～6 %的乙醇浓缩为65%vol～70%vol风格特殊的白酒。

在固态蒸馏中，蒸馏容器为传统的甑桶，甑桶虽结构简单，但在白酒的蒸馏过程中蕴含有复杂的科学理论，蒸馏效果受多种因素影响，值得深入研究。常压条件下甑桶内温度最多只能达到102 ℃，并未达到大部分风味物质的沸点，甑桶中有糟醅充当填料且存在回流现象，类似精馏塔，蒸馏过程中存在共沸、挥发、萃取等多种物质交换方式，使高沸点物质能够被分离出来并进入基酒。在蒸馏过程中，糟醅中的一些物质还会发生热变反应，使甑桶内形成固、液、气三相交织，物理变化和化学变化同时发生的复杂系统。因此，研究甑桶固态蒸馏的内部机理，为传统的经验式操作提供理论解释和指导具有重要意义。彭明启指出了铺料温度、温度梯度和单次铺料厚度与出酒量之间的关系，揭示了“探汽上甑”和“轻撒匀铺”的科学内涵，认为疏松多孔的糟醅是乙醇能够顺利蒸出的先决条件；通过“探汽上甑”控制蒸汽与甑面的距离可保证每一粒酒醅都获得必要的物质交换时间，在糟醅中形成高浓度酒精层并维持较长时间。石为人在此基础上还分析了乙醇浓度与酯类物质提取的关系，解释了“蒸馏提香”的原理和“回酒蒸馏”这一工艺条件对较低甑位香味物质提取的影响。由于甑桶蒸馏系统复杂，使得白酒固态蒸馏的微观动态变化难以形成较为完全、准确的理论解释。

1.2 固态蒸馏数学模型构建

固态蒸馏上甑蒸馏过程的内部动力学较为复杂，很难通过实验的方式研究其微观动态变化，进行生产规模的实验费时费力，误差较大。通过对甑桶蒸馏的上甑、蒸馏过程进行数学描述并建立数学模型进行计算模拟可弥补实验方法的不足。杜冰提出了一种描述甑桶蒸馏过程的数学模型，将上甑完毕后出酒前的酒醅分为5 个浓度区域，解决了乙醇在甑内的迁移速度和乙醇高浓度区的厚度计算问题。模型表明高浓度区厚度与甑桶高度、酒醅液相摩尔数有关，适当提高甑桶或铺料高度及糟醅持液量可增加高浓度区厚度从而增加乙醇馏出量。徐鸿飞基于乙醇和水的相平衡关系构建的底锅、甑桶和冷凝器的瞬态传质传热过程数学模型同样表明糟醅持液量与基酒产量成正相关，但对乙醇提取率影响不大，糟醅液相中乙醇占比的增加可提高乙醇的提取率。该项研究对白酒甑桶蒸馏过程中乙醇的提取提供了理论解释，并说明了影响基酒产量和乙醇提取的因素，为工艺的优化提供了一定理论指导。

对于白酒蒸馏过程中主要风味物质的传质动力学研究，李海龙建立了基于膜阻力模型的半经验数学模型，发现乙醇、正丙醇、正丁醇、异丁醇等组分会出现初始气液相平衡区，蒸馏前期提取量与时间成正比，后期提取速率逐渐降低；乙酸乙酯、己酸乙酯、丁酸乙酯等组分没有相平衡区出现，蒸馏提取速率不断降低。Stults的研究则表明挥发性组分在固相中的扩散对蒸馏提取有很大影响，指出了固态蒸馏过程中风味物质扩散提取的关键控速步骤，为提高风味物质蒸馏提取率提供了理论参考。

通过建立数学模型对上甑蒸馏过程进行模拟计算能够较好的反映甑桶蒸馏过程中温度、压力及物质组分的变化规律，对解释甑桶蒸馏的内部机理和优化工艺参数有重要意义。宋建勋将甑桶类比为填料塔，构建了一种可用于预测上甑蒸馏过程的机理模型，该模型能够通过输入糟醅和蒸汽的参数预测上甑过程糟醅温度分布及变化和流酒过程乙醇馏出浓度的变化。尹航从薄层干燥的角度，建立了固态蒸馏在特定条件下的数学模型并基于实验数据拟合，研究了固态蒸馏过程中酒醅的水分含量随时间和蒸汽脉动频率的变化。

白酒蒸馏糟醅的多孔介质属性及糟醅在整个蒸馏过程中的状态不断改变所导致的传质传热的复杂性使得甑桶蒸馏的数学描述十分困难。目前仍未建立起能够准确描述整个上甑蒸馏过程的机理模型，已有的模型大多为半经验模型或稳态模型，对甑桶蒸馏的微观动态变化缺乏深入的认知，要构建适合于甑桶固态蒸馏的数学模型还需要进一步研究甑桶蒸馏的基础理论。

2 白酒蒸馏技术及分析

2.1 影响蒸馏效果的因素

2.1.1 糟醅特性

糟醅的理化性质如水分和乙醇含量会影响基酒产量和风味物质提取，不同发酵状态、不同层次的糟醅的水分含量和乙醇含量以及香味成分有所不同。同等条件下，乙醇含量相同的糟醅，低水分糟醅蒸馏后出酒量多于高水分糟醅，能馏出更多己酸乙酯，高水分糟醅可馏出更多有机酸和乳酸乙酯，与有机酸和乳酸乙酯易溶于水的特性有关。在固定蒸汽流量下，出酒率由糟醅水分和乙醇含量共同决定，较高的乙醇含量或较低的水分能够得到相对较高的产酒率。

糟醅的质构特性如黏度、疏松度等同样会影响蒸馏效果。酒醅的质构特性与发酵效果、水分含量、原辅料添加等均有关系，在上甑前将糟醅、粮谷原料与稻壳等拌和能够有效提高糟醅疏松度，保证蒸馏效果和下轮发酵质量。有研究者引入土壤学中的孔隙度概念并建立了糟醅孔隙度的测定方法，实验数据表明糟醅孔隙度和水分含量与辅料添加量有较好的线性关系，说明通过添加辅料能够较好地控制糟醅特性，根据出窖糟醅特性适量添加辅料能够提高蒸馏效率和基酒质量。“轻撒匀铺”“探汽上甑”也是使甑内糟醅均匀疏松的重要技术操作，能够增大传质传热界面，达到更好的蒸馏效果。

2.1.2 醅层高度

把甑桶看作一个填料塔，糟醅既是填料又是被处理的物料，糟醅的装填高度会影响蒸馏效果。杨平等研究表明蒸馏效率随着醅层高度的增加而提高，在醅层高度相同时，小直径的甑桶蒸馏效率高于大直径的甑桶，说明增大甑桶高径比或者提高装甑高度可强化蒸馏，提高蒸馏效率。糟醅装填高度的增加延长了蒸汽的运动路径，有利于乙醇的富集和风味物质的提取。但装甑高度不能无限制的增加，超过一定高度时蒸馏效率与装甑高度成反比，醅层过高甑桶底部的糟醅会受重力作用被压紧，降低糟醅孔隙率，加大传质传热阻力，不利于乙醇和风味物质的提取。用双层或多层篦子进行蒸馏可在提高醅层高度同时避免糟醅被压紧。多个分体式甑桶叠加的塔式蒸馏或许是未来白酒固态蒸馏的一个发展方向。

2.1.3 蒸汽大小

现代白酒蒸馏普遍采用蒸汽加热，将过热蒸汽通入底锅中加热底锅水，底锅水产生饱和蒸汽加热糟醅。生产中可通过控制过热蒸汽的流量或压力来调节上甑、流酒速度，蒸汽参数也会影响乙醇和风味物质的提取效果。随着上甑气压的增大，基酒产量呈先升后降的抛物线变化，说明以基酒产量为指标，存在最佳上甑气压。上甑气压还会影响风味物质的馏出从而影响基酒的风味组成，大汽快速上甑会导致基酒乳酸乙酯含量增加，己酸乙酯在前中期馏出量减少，在尾段中的含量增加并降低基酒中的杂醇油含量。

流酒阶段的蒸汽控制同样重要，徐鸿飞等的研究表明流酒时采用低蒸汽压力产酒量更高，更有利于风味物质的提取，基酒口感更纯正，所以在白酒生产中一直秉持“缓火馏酒”的原则。近年研究发现缓火蒸酒同样存在弊端，缓慢蒸馏使原辅料受热时间更长，甲醇和糠醛主要由原辅料中的果胶质和多缩戊糖受热分解产生，采用缓火蒸酒时基酒中的甲醇和糠醛含量会更高。万波的研究表明随着蒸汽流量的增加，蒸汽对糟醅的“托举”作用加强，可使糟醅孔隙变大、对蒸汽的阻力系数减小，说明在生产中处理黏腻的糟醅时可适当加大上甑和流酒蒸汽压力。在流酒过程中蒸汽过小不足以使乙醇充分蒸发，蒸汽过大则使糟醅糊化，增大乙醇和风味物质的扩散速度，说明流酒阶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。

蒸汽大小不仅会影响基酒产量和质量，在采用续糟发酵工艺的白酒生产中本轮取酒的蒸馏操作会影响原料的糊化和糟醅的理化性质等从而影响下一轮次的发酵，蒸馏过程中蒸汽越大，出甑糟醅酸度、水分越低，有机酸、酯类、吡嗪类等香味物质损失越多，在保证蒸煮糊化效果的前提下，应尽量将蒸汽流量控制在一个合理的范围。

综上所述，上甑和流酒阶段均存在最佳的蒸汽大小，但具体采用何种参数，仍需根据企业自身工艺、设备、蒸汽条件等选择出相对适合的蒸馏操作参数。

2.1.4 流酒温度

流酒温度会影响风味物质的馏出，不同香型白酒采取的流酒温度不同。大多数香型白酒采用中温流酒，温度在20～35℃范围内；酱香型白酒由于其独特的风味特点采用高温流酒，接酒温度在35～45 ℃；芝麻香型白酒融合了浓香型和酱香型的工艺，接酒温度一般控制在35 ℃左右。较高的流酒温度（35 ℃以上）会造成己酸乙酯、乙酸乙酯、丁酸乙酯等醇溶性酯类的明显损失，乳酸乙酯等水溶性物质的馏出量会明显增加。因此浓香型和清香型等以酯类为主体风味的白酒一般采用较低的流酒温度以提高酯类物质的提取；酱香型白酒则采取高温流酒的方式将高沸点、水溶性的风味物质收集于酒中，同时去除含硫化合物以及乙醛、丙烯醛、硫醇等杂辣物质，减少新酒贮存时间。

2.2 减压蒸馏

减压蒸馏又叫负压蒸馏，通过真空泵造成一定的真空度后进行蒸馏，在减压条件下物质沸点降低，馏出规律改变。减压蒸馏常用于液态蒸馏，能够有效减少蒸馏酒中的乙醛和糠醛含量，目前针对白酒固态糟醅进行减压蒸馏的研究还不是很多。

杨生智用小曲白酒的糟醅进行了减压蒸馏实验，发现减压固态蒸馏会降低乙醇和醇类、酯类、醛类等醇溶性物质的提取率，提高乙酸的提取率，减压蒸馏后酒中的成分种类少于常压蒸馏，在酒度小于50%vol时采用减压蒸馏的酒感官质量好于常压蒸馏。中试水平的蒸馏试验发现真空度越大，乙醇损失越多，主体酒采用较大的真空度，尾酒采用较小的真空度获得的酒感官质量更好，更干净。

减压蒸馏可降低酒醅中乙醇和风味物质的沸点，从而大幅减少蒸汽和冷却水的用量，糟醅和原辅料也不会因高温产生特殊气味，香气更加自然，酒体风格更纯正。固态减压蒸馏存在乙醇提取率低，高度酒中风味物质含量少的缺陷。减压蒸馏技术是否能够应用于中国白酒生产，又该如何优化蒸馏参数，还需要进一步研究讨论。

2.3 二次蒸馏

甑桶蒸馏有着极高的蒸馏效率，成熟的糟醅通常只蒸馏一次就能得到高浓度基酒，对基酒进行二次蒸馏是提高酒质的有效手段，也是目前尾酒处理的主要方式。

吴晨岑采用不同方式对原酒进行二次蒸馏，发现壶式蒸馏效率最高，减压蒸馏后的蒸馏酒香味最好。二次蒸馏能够去除基酒中的异嗅味物质和大部分杂醇油，缩短新酒陈酿时间。白酒中的塑化剂、EC（氨基甲酸乙酯）等有害物质也可通过二次蒸馏有效去除。通过对比不同香型白酒二次蒸馏后的酒质和感官效果发现，二次蒸馏较适用于浓香型原酒和豉香型原酒，可提高酒质。也有研究发现对白酒进行常压二次蒸馏后乙醛含量增加，乙缩醛含量减少，推测乙缩醛可能在酸作用下水解成了乙醛，说明常压二次蒸馏不利于乙醛的去除。袁华伟发现在适宜的蒸馏条件下可高效浓缩尾酒中的乙醇并大幅降低乳酸、乙酸、乳酸乙酯等物质含量，使酒体香气、味觉效果较佳，说明通过二次蒸馏可以有效提高尾酒酒精度和酒质，达到回收利用的效果，减少浪费。

游玲利用多级连续减压蒸馏装置对浓香型白酒原酒进行再蒸馏，发现经减压蒸馏、分段冷凝后可去除大部分甲醇、乙醛，乙醇、主要高级醇及除乳酸乙酯外的有益酯类集中在中高沸点馏出，乳酸、乳酸乙酯等高沸点物质趋于保留在蒸馏釜内，说明可通过改变减压蒸馏的蒸馏和冷凝条件调整白酒风味组分，为白酒风味物质的拆分与重构提供了新的思路和方法，或许可通过此方法有针对地调整酒体中风味物质的含量比例，以提高基酒质量或改变酒体风格特点。

利用不同的蒸馏装置，不同的蒸馏方法对白酒进行二次或多次蒸馏以达到提高酒质的目的是可行的，可通过二次蒸馏提高质量较差基酒质量，回收尾酒、黄水中的风味物质。量质摘酒被称为白酒的“第一次勾调”，可通过调节不同的蒸馏条件对基酒风味物质进行定向调整，从蒸酒阶段调控基酒风味，获得风味协调的基酒，或通过特定的蒸馏方式生产风格独特的调味酒。

3 展望

随着近年业界和科研人员们对白酒酿造微生物、酿造工艺、风味化合物等方面的深入研究，酿造工艺不断改善，白酒发酵质量有较大提升。自动化设备的引入使得白酒生产效率大大提高，产能进一步扩大。目前固态法白酒的蒸馏环节仍存在蒸馏效率低下，风味物质提取率低的问题，导致发酵产生的风味物质大量残留在糟醅中，做不到“丰收”，造成浪费。通过对蒸馏环节进行深入研究和优化，对增加白酒产量、提升白酒的品质以及传统白酒酿造产业的技术升级都具有重要意义。

固态蒸馏研究的重点是进一步揭示糟醅风味物质提取的内部机理，解释糟醅在蒸馏过程中所起到的作用，推导出白酒固态蒸馏的操作方程，建立起中国白酒固态蒸馏数学模型，构建白酒固态蒸馏计算机模型，实现白酒蒸馏的计算机辅助分析与设计，完成中国白酒蒸馏理论及方法体系的建立，提高白酒品质，更好的满足消费者的需求。