酒的變頻電場催陳機理研究

王鳴山，王勝男

（核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180）

酒類的生產(chǎn)過程往往需要經(jīng)過預(yù)處理- 發(fā)酵-陳釀- 勾兌- 過濾等生產(chǎn)工序，需要經(jīng)過長時間陳釀之后才會變得口感成熟、芳香醇厚。傳統(tǒng)陳化方法主要是將發(fā)酵蒸餾后的新酒放入酒窖中密封避光保存，陳化時間少則一兩年，多則十幾年甚至更久。由于陳化時間久、占地面積大，釀酒企業(yè)大量資金處于停滯狀態(tài)。因此，越來越多的研究人員開始研究其他新方法，一方面能令酒體在短時間內(nèi)達到其相當(dāng)于窖藏陳釀的獨特口感；另一方面又可降低企業(yè)成本，適應(yīng)日益劇增的消費供應(yīng)量。

釀酒催陳是一種人工加速酒陳化的過程。近年來，研究報道了多種陳化方法，如氧催陳法[1]、電脈沖催陳法、靜電催陳法、臭氧催陳法、微波催陳法、冷熱處理催陳法及超聲波催陳法等[2-3]。上述方法中，高壓靜電場催陳法以其非接觸酒體、低功耗、無熱效應(yīng)等顯著優(yōu)點已經(jīng)在部分酒廠中推廣應(yīng)用，取得了較好的經(jīng)濟效益[4-5]。然而，對其催陳機理的討論尚未得到理論上的支持。在上述研究的成果基礎(chǔ)上，進一步探索變頻電場催陳工藝理論和應(yīng)用[6-7]。

1 變頻電場催陳工藝機理

1.1 變頻電場催陳裝置結(jié)構(gòu)

變頻電場催陳酒類的實驗裝置主要由4 個部分組成：低壓變頻發(fā)生器、高壓電場調(diào)壓器、電場釋放板和酒容器。

實驗裝置原理圖見圖1。

將裝有酒的非金屬容器放置在電場釋放板之間的托板上，開啟低壓變頻發(fā)生器，發(fā)生器通過單片機控制變頻電路產(chǎn)生變頻電信號，在高壓電場調(diào)壓器的放大下，獲得滿足工藝要求的陳化高壓和陳化頻率輸出給電場釋放板，形成放電電場[8-10]。密閉容器內(nèi)的酒在變頻電場作用下，使酒內(nèi)部水分子產(chǎn)生共振效應(yīng)，實現(xiàn)對酒的陳化。一般經(jīng)過2～6 h 后關(guān)閉控制器電源，取出密閉容器，即可完成人工的老化陳化工藝過程[11]。

圖1 實驗裝置原理圖

1.2 催陳機理分析

1.2.1 酒溶液對變頻電場能力的改變

將體積為V1的容器裝滿酒置于電場中，電介質(zhì)分布發(fā)生改變。

酒體對電場的影響見表1。

表1 酒體對電場的影響

電場能量改變?yōu)椋?/p>

因電場極板間的電荷分布不變，僅需對放入其中的酒容器體積V1進行積分，對于電場內(nèi)部在酒容器中的酒容器外部則有公式（2）：

由公式（2） 可知，電源供電不變的條件下，電場介電常數(shù)增大，電場能降低，損失的電場能作用在酒容器內(nèi)的酒體中，使其內(nèi)部分子排布發(fā)生改變[12]。

1.2.2 變頻電場對酒溶液的極化作用

酒可認為是以水為溶劑，以乙醇為主，復(fù)合丙烯醛、雜醇油、乙酸乙酯等有機化合物為溶質(zhì)的溶液。乙醇和水都是極性分子，乙醇和水都可以自發(fā)形成氫鍵，兩者之間也可形成氫鍵，可以任意比例互溶。宏觀上，正負電荷等量，對外呈電中性，對內(nèi)屬于非對稱分布。在外加的電場力作用下，按照熱力學(xué)原理，乙醇和水分子趨向于能量最低的穩(wěn)定存在狀態(tài)[4-5]。

對酒體施加電場時，溶液分子的偶極矩增大，直至將水的締合分子結(jié)構(gòu)破解，而形成單一的極性分子結(jié)構(gòu)。極性溶液分子在電場中按正負極順序定向排列，溶液中的其他有機物，如醛類、硫化物、雜醇油等被水偶極子包圍，形成水合分子簇，并按電極電位順序排列與偶極子群中，不能自由移動[13]。

締合水分子機理見圖2。

圖2 締合水分子機理

這種極化作用形成的偶極子的偶極矩為：

α——極化率，J-1·C2·m2；

E——電場強度，V/m。電偶極子在電場中的電勢能為：

電場與誘導(dǎo)偶極子的相互作用能為：

電場誘導(dǎo)靜能量為：

目前的研究認為，多個H2O 分子之間可穩(wěn)定為一種狀態(tài)，在該狀態(tài)下部分分子自發(fā)締和為大分子團，同時大分子團又自發(fā)解締為小分子團并保持動態(tài)平衡之中。利用外加變頻電場對酒體進行作用時，在公式（3） 的電場誘導(dǎo)能量下，將打破原有的平衡狀態(tài)，使溶液分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，醇水締合物形成，減少了自由乙醇分子的數(shù)量，降低酒的刺激性氣味。加速低沸點不溶性液體和氣體（如乙醛） 揮發(fā)，提高了口感[14]。

1.2.3 高壓變頻電場對酒溶液的電離作用

高壓電場下，酒體溶液中乙醇和水分子激發(fā)或電離產(chǎn)生等離子體，過程如下：

在持續(xù)的電場力作用下，體系中氫鍵斷裂，發(fā)生進一步的分解反應(yīng)。與此同時，OH-在失去電子后形成羥基自由基OH·，羥基活性自由基可在碰撞后合成過氧化物，具體過程如下：

由上述反應(yīng)過程可見：①體系中，H+的增加使pH 值降低；②大量出現(xiàn)的等離子體，如O2-·，OH·，增加了體系導(dǎo)電性；③O2的減少，致使空氣中氧分子向溶液中擴散，增加溶氧量。

這都將導(dǎo)致醇的氧化和酯的形成，有利于酒類陳化老熟。

以上的幾種效果共同作用于一體，從不同的角度引起酒液內(nèi)部發(fā)生變化，出現(xiàn)陳化效果[15-17]。

2 白酒變頻電場催陳效果試驗

2.1 試驗用白酒及試劑

白酒為普通市售白酒，采購于電商平臺京東商場。中國瀘州老窖股份有限公司生產(chǎn)52%Vol 濃香型白酒，100 mL/瓶包裝，每箱12 瓶。試驗用白酒均為同一批次，出廠日期為2020 年1 月10 日的白酒。

主要試劑：二氯甲烷、酒石酸亞鐵、酒石酸鉀鈉，天津大茂化學(xué)試劑場提供；磷酸氫二鈉、磷酸二氫鉀、氫氧化鈉、鄰苯二甲酸氫鉀，國藥集團化學(xué)試劑有限公司提供。

2.2 變頻電場陳化設(shè)備

酒陳化設(shè)備采購于天津星拓科技發(fā)展有限公司產(chǎn)品“陳釀儀”，型號為CN-02。該設(shè)備輸入電壓為220V AC，極化場強500～8 500 V/cm 可調(diào)，陳化頻率40～100 Hz，內(nèi)部等電位阻抗8 MΩ，功率2 W。

2.3 分析設(shè)備

ATC-392 型手持糖度儀，昆山宏達光學(xué)儀器廠產(chǎn)品；UV-2401PC 型紫外分光光度計，日本島津公司產(chǎn)品；Agilent 7890A /5975C 型氣相色譜- 質(zhì)譜聯(lián)用儀（Gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）系統(tǒng)，安捷倫科技有限公司產(chǎn)品。

2.4 試驗過程及工藝參數(shù)

隨機將一箱中的12 瓶白酒每2 瓶分一組，共分6 組，分別在瓶身進行標(biāo)記。

變頻電場催陳試驗過程及參數(shù)見表2。

表2 變頻電場催陳試驗過程及參數(shù)

2.5 試驗評價指標(biāo)

待處理結(jié)束后，取出酒液測定各項理化指標(biāo)，進行感官評定和GS-MS 分析。

（1） 理化指標(biāo)測定?？偹岷康臏y定通過滴定法，總酚含量的測定通過試劑比色法，糖度的測定通過手持式糖度儀。

（2） 感官評定。參照《GB/T 10345—2007》 白酒分析方法標(biāo)準(zhǔn)對對照和試驗白酒進行感官品質(zhì)評定。受試人數(shù)為25 人，21 名男性，4 名女性，平均年齡45 歲。

變頻電場催陳酒感官品質(zhì)評定及評分標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 變頻電場催陳酒感官品質(zhì)評定及評分標(biāo)準(zhǔn)

（3） 香氣成分測定。取樣5 mL 置于20 mL 頂空瓶中，50 ℃下吸附40 min 進行富集后做氣相色譜分析。

色譜條件：升溫程序為起始40 ℃，保持5 min，以5 ℃/min 的升溫速度升至260 ℃，保持時間10 min。載氣為He，流量1 mL/min，進樣口溫度260 ℃，檢測器溫度280 ℃。

質(zhì)譜條件：接口溫度260 ℃，電離方式EI 電離源，電離電壓70 eV，質(zhì)量掃描范圍40～600 m/z，四極桿溫度170 ℃。

3 白酒變頻電場催陳試驗結(jié)果分析

3.1 不同的電場參數(shù)催陳對白酒感官品質(zhì)影響

變頻電場催陳酒感官品質(zhì)評價見表4。

表4 變頻電場催陳酒感官品質(zhì)評價

由表4 可知，白酒經(jīng)過電場催陳后，感官評分有所增加，并且隨著電壓、頻率的增高和處理時間的延長，白酒生澀和刺激性味道逐漸減少，變得更加柔和飽滿，香氣沉實厚重，濃香特征明顯[18-21]。

3.2 不同參數(shù)變頻電場催陳對白酒理化指標(biāo)的影響

白酒理化指標(biāo)的影響見表5。

表5 白酒理化指標(biāo)的影響

由表5 可知，白酒經(jīng)過變頻電場催陳后，總糖變化不大，總酸、總酚均下降，且隨時間和電壓頻率的增加，下降趨勢明顯。

3.3 不同參數(shù)變頻電場催陳對白酒香氣成分的影響

變頻電場作用后白酒香氣微量成分影響見表6。

表6 變頻電場作用后白酒香氣微量成分影響

由表6 可知，白酒香氣成分中，丙烯醛可使酒呈辛辣味，異戊醇入口后呈蟄舌苦澀，雜醇油具有刺激味道，經(jīng)變頻電場處理后這3 種成分均有所下降，減少了酒的刺激性氣味，酒質(zhì)得到改善；乙縮醛、己酸乙酯、總酯是白酒香氣的主要成分，經(jīng)變頻電場處理后，均有所增加，提高了酒的香氣[22-24]。

4 結(jié)論

對高壓變頻電場酒類催陳機理進行了分析，認為酒在變頻電場的作用下出現(xiàn)多方面的變化，主要是：①酒溶液水合乙醇分子排布形式出現(xiàn)變化，由雜亂無章的排列變?yōu)樗戏肿哟氐男问?，并按電極電位順序排列與偶極子群中，分子間的氫鍵破壞，降低酒的刺激性氣味。②高壓變頻電場電離溶液體系分子形成等離子體，增加了體系導(dǎo)電性和溶氧量，促進醇的氧化和酯的形成，有利于酒類陳化老熟。③以市售白酒為研究對象，對白酒的理化指標(biāo)、香氣成分及感官品質(zhì)進行分析。結(jié)果表明，變頻電場催陳工藝對白酒品質(zhì)有改善作用。合理調(diào)節(jié)處理工藝參數(shù)，找到一組適合不同酒種類的處理參數(shù)是完全可能的。