基于酒醅乙醇含量和含湿量的白酒蒸馏工艺条件优化研究

唐圣云，乔宗伟，李海龙，2 *，黄卫星，陈小文

（1.宜宾五粮液股份有限公司，四川 宜宾 644000；2.宜宾市经济和信息化委员会，四川 宜宾 644000；3.四川大学 化工学院，四川 成都 610065）

中国白酒的年产量超过1 000万吨，年销售收入近3 000亿人民币[1]。根据不同风味特征，白酒可分为浓香型、清香型、酱香型、米香型和混香型[2]。浓香型白酒以五粮液、泸州老窖品牌为代表，占据70%以上的市场份额，其生产包括发酵、蒸馏和勾兑三个工艺环节[3]。发酵过程是白酒组分的生成阶段，蒸馏过程主要目的是提取酒醅颗粒中的乙醇和风味物质，勾兑主要是根据既定目标将原酒进行重新组合得到成品酒的过程[3]。长期以来，关于白酒的研究主要集中于发酵过程中微生物的演变和风味物质的形成[4-5]以及成品酒勾兑的测试分析[6-8]，关于白酒蒸馏过程的研究较少且仅限于定性研究[9-14]。目前还未见关于酒醅乙醇含量和含湿量对蒸馏效果的研究。

蒸馏工艺条件对正品酒产率和品质有很大影响，特别是加热蒸汽量和酒醅填装高度。之前的研究结果显示,白酒蒸馏存在最佳加热蒸汽量，过低的加热蒸汽量不足以将乙醇从酒醅颗粒中蒸馏出来；过高的蒸汽流量引起颗粒糊化，降低了颗粒内部孔隙率，扩散阻力增加；适当增加酒醅填装高度可提高正品酒产率和品质，但过高的填装高度会引起床层挤压严重、空隙率小，不利于蒸馏效果[9]。酒醅乙醇含量和含湿量不同，填装密度和空隙率有所差异，对加热蒸汽的需求量必定不一样。然而关于蒸馏工艺条件与酒醅乙醇/湿含量的关系还没有明确认识，对填装高度与加热蒸汽量之前的匹配也还没有研究。长期以来，加热蒸汽量的选择主要由人工操作经验控制，填装高度基本固定在1 000 mm左右。这导致产酒率及品质波动较大，乙醇及风味物质提取率不高。基于酒醅组分含量不同，对蒸馏工艺优化、提高设备产能已成为白酒行业面临的重要课题。

本研究以浓香型白酒酒醅为原料，在中等规模实验装置上分别研究了酒醅乙醇含量/含湿量对加热蒸汽量和填装高度选择的影响以及相互间的关系，以及填装高度和加热蒸汽量的匹配关系。研究结果为白酒蒸馏工艺条件优化提供了重要参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

酒醅样品取自浓香型白酒生产现场，并按实际生产配料工艺将定量清蒸糠壳混入酒醅。

1.2 仪器与设备

本文采用的蒸馏实验装置示意图1，主要由蒸汽管、底锅、筛板、甑桶、甑盖、导酒蒸汽筒和冷凝器组成。底锅和甑桶之间采用填料密封，其他连接处均为水封；甑桶直径1 000 mm，筛板以上筒体高度1 200 mm。

YB2001F电子天平：上海宏衡实业有限公司；202-1干燥箱：北京亚兴泰机电设备有限公司，DMA 5000密度计：Anton Paar公司。

蒸馏操作主要包括以下过程：（1）在设定加热蒸汽量下，将定量酒醅通过探汽上甑装入甑桶并连接蒸馏装置各部件；（2）按时间顺序间隔，分别将不同蒸馏时段的冷凝液收集于量筒中，直至蒸馏过程结束。酒精度高于45%vol的样品为正品酒的产率和品质作为评价蒸馏效果的主要指标。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental distiller

1.3 实验方法

蒸馏操作主要包括以下过程：（1）在设定加热蒸汽量下，将定量酒醅通过探汽上甑装入甑桶并连接蒸馏装置各部件；（2）按时间顺序间隔，分别将不同蒸馏时段的冷凝液收集于量筒中，直至蒸馏过程结束。酒精度高于45%vol的样品为正品酒的产率和品质作为评价蒸馏效果的主要指标。

酒醅含湿量（cm）的测量方法[15]：把质量为m1的酒醅放入温度为110 ℃干燥箱内，连续干燥12 h，称量干燥后酒醅的质量m2。此时，酒醅的含湿量mc=（m1-m2）/m1。乙醇含量测量是在天津轻工业大学提供的方法[4]上进行了改进：把100 g酒醅和200 mL蒸馏水加入500 mL蒸馏烧瓶中，混合均匀；加热蒸馏烧瓶，用量筒收集头100 mL 蒸馏组分；用密度计测定馏分中乙醇的浓度；最后计算出样品乙醇含量。

2 结果与分析

2.1 基于酒醅乙醇含量加热蒸汽量的选择

图2显示了给定水分含量酒醅，在不同加热蒸汽量下蒸馏得到的白酒产量。需要指出的是，文中的产量是指100 kg酒醅蒸馏得到的60 °正品酒的质量。图2可见，（1）对于给定水分含量的酒醅，酒产率与酒醅乙醇含量和加热蒸汽量直接相关。不同加热蒸汽量下，较高的乙醇含量总对应有较高的酒产率；乙醇含量从4.90%vol升高至6.29%vol，100 kg酒醅蒸馏生成的正品酒约12.4 kg提升至15.5 kg，约增加25%。这表明酒醅乙醇含量对正品酒产量具有重要影响，提升发酵水平、提高酒醅颗粒乙醇含量是增加白酒产量的重要途径。（2）对不同乙醇含量的酒醅，其产酒量随加热蒸汽量的变化表现出相似的关系，都存在最佳加热蒸汽量，该流量下所获得的酒产率最高。这与之前的研究结果一致[9]。这是由于较低的加热蒸汽量不足以将乙醇从酒醅颗粒中蒸馏出来；而过高的蒸汽量引起颗粒糊化，降低了颗粒内部孔隙率，扩散阻力增加，不利于乙醇的提取。

图2 酒醅乙醇含量和加热蒸汽量对正品酒产率的影响Fig.2 Effect of fermented grains ethanol contents and steam flow rate on liquor yield

实验还发现，对于水分含量一定但乙醇含量不同的酒醅，其最佳蒸汽量都接近相同；如图3所示，对于cm=66.68%的酒醅，不同乙醇含量下的最佳蒸汽量qopt≈1.6 kg/min；而对于cm=70.44%的酒醅，其最佳蒸汽量qopt≈2.0 kg/min。

2.2 基于酒醅乙醇含量填装高度的选择

图4显示了不同乙醇含量的酒醅在不同床层填装高度蒸馏得到的正品酒产率。图4可见，床层填装高度由700 mm增加至1 200 mm，乙醇含量为5.82%vol、5.64%vol和5.03%vol的酒醅蒸馏得到的正品酒产量分别由4.1 kg、5.0 kg和5.3 kg逐渐增加至4.9 kg、5.9 kg和6.0 kg。这与之前得到的白酒蒸馏存在最佳酒醅填装高度的研究结果保持一致[9]。

图3 最佳加热蒸汽量与酒醅乙醇含量的关系Fig.3 Relationship between the optimal flow rate and fermented grains ethanol content

图4 填装高度对不同乙醇含量酒醅的正品酒产率的影响Fig.4 Effect of loading height on liquor yield of fermented grains with different ethanol content

由图4还可以看出，不同酒醅乙醇含量对应的最佳酒醅填装高度有所不同。填装高度由700 mm增加至1 000 mm时，不同乙醇含量的酒醅蒸馏得到的正品酒产率增加幅度基本相同；而填装高度由1 000 mm增加至1 200 mm时，较高乙醇含量的酒醅对应的正品酒产率增加幅度较低。这表明较高的乙醇含量酒醅对应较低的最佳填装高度。结果还显示实验所用酒醅对应的最佳填装高度均大于1 200 mm，下阶段将改进实验装置对更高的填装高度进行实验。

2.3 基于酒醅含湿量加热蒸汽量的选择

图5 加热蒸汽量对不同含湿量酒醅的正品酒产率的影响Fig.5 Effect of flow rate on liquor yield of fermented grains with different moisture

图5显示了相同乙醇含量、不同含湿量的酒醅在不同加热蒸汽量下蒸馏得到的酒产率。结果表明，（1）对于给定乙醇含量的酒醅，不同加热蒸汽量下，较高的水分含量对应有较低的酒产率。（2）与给定水分含量时的情况不同，给定乙醇含量的酒醅其最佳加热蒸汽量随酒醅水分含量而变化，水分增加最佳蒸汽量增加。这可能是由于要使较高的含湿量酒醅中乙醇蒸发，所需要的热量越多，即所需的加热蒸汽量越高。

为更直观地表示最佳加热蒸汽量与酒醅含湿量的关系，将图5中不同含湿量酒醅对应的最佳蒸汽量列于图6。由图6可见，对于ce=5.82%vol的酒醅，cm=65.84%时，qopt≈1.6 kg/min，而cm=70.44%时，qopt≈2.0 kg/min。

图6 最佳蒸汽量随酒醅含湿量的变化Fig.6 Relationship between the optimal flow rate and fermented grains moisture

2.4 基于酒醅含湿量填装高度的选择

实验研究了乙醇含量相同、含湿量不同的酒醅在不同填装高度下蒸馏得到的正品酒产率，结果如图7。由图7可见，（1）正品酒产率随酒醅填装高度的增加逐渐增加，与之前研究结果相同[9]。（2）高含湿量酒醅对应的正品酒产率较低，且随着填装高度的增加较低速度较快。这表明高含湿量酒醅对应的最佳填装高度越低。这是由于酒醅含湿量越高，重量较大，酒醅颗粒之间的挤压较严重，相同填装高度下床层空隙率小和传热传质面积小。

图7 酒醅含湿量和加热蒸汽量对正品酒产率的影响Fig.7 Effect of fermented grains moisture and flow rate on liquor yield

2.5 最佳加热蒸汽量与酒醅填装高度的关系

加热蒸汽量和酒醅填装高度都是白酒蒸馏的重要操作参数。为明确加热蒸汽量与酒醅填装高度的关系，实验研究了不同酒醅填装高度，在不同加热蒸汽量下得到的正品酒产率，结果如图8所示。由图8可见，酒醅填装高度为700 mm、1 000 mm和1 200 mm时，正品酒产率分别在加热蒸汽量为1.4 kg/min、1.5 kg/min和1.6 kg/min时达到最高，表明最佳加热蒸汽量随酒醅填装高度的增加而升高。

图8 加热蒸汽量对不同填装高度下正品酒产率的影响Fig.8 Effect of flow rate on liquor yield of fermented grains with different loading height

为了更直观地显示加热蒸汽量与酒醅填装高度的关系，将图8中不同填装高度对应的最佳加热蒸汽量进行整理列于图9。由图9可见，最佳加热蒸汽量随酒醅填装高度的增加逐渐增加，表明较高的填装高度对应较高的最佳加热蒸汽量。这一方面是由于较高的填装高度是床层酒醅颗粒间空隙率较小，蒸汽流动阻力增大；另一方面，填装高度的增加使堆积密度增加，单位体积堆积的酒醅越多，因此将酒醅中乙醇蒸出来所需的热量越多，即需要的加热蒸汽量越高。

图9 最佳加热蒸汽量与不同酒醅填装高度的关系Fig.9 Relationship between the optimal flow rate and fermented grains loading height

3 结论

（1）白酒蒸馏存在最佳加热蒸汽量，该流量下所获得的酒产率最高。对于水分含量一定但乙醇含量不同的酒醅，其最佳蒸汽量都接近相同；给定乙醇含量的酒醅其最佳加热蒸汽量随酒醅含湿量增加而增加。

（2）白酒蒸馏存在最佳酒醅填装高度，该高度下所获得的产酒率最高。对给定含湿量酒醅，乙醇含量越高对应较低的最佳填装高度；对乙醇含量相同，含湿量较高的酒醅对应较低的最佳填装高度。

（3）加热蒸汽量与酒醅填装高度联合影响蒸馏效果，较高的填装高度对应的最佳加热蒸汽量较高。

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