动态光散射法研究降度白酒的粒径及其分布

黄张君，曾运航，宋 川，沈才洪，石 碧，*

（1.四川大学 轻纺与食品学院，四川 成都 610065；2.四川大学 制革清洁技术国家工程实验室，四川 成都 610065；3.国家固态酿造工程技术研究中心，四川 泸州 646000；4.泸州老窖股份有限公司，四川 泸州 646000）

中国白酒是以粮谷为主要原料，以大曲、小曲或麸曲等为糖化发酵剂，经蒸煮、糖化、发酵、蒸馏等过程而制成的蒸馏酒，白酒中乙醇和水约占98%，决定白酒品质和风格特征的各种微量成分约占2%[1]。通常情况浓香型白酒的入库原酒酒精度≥63%vol，清香型白酒的原酒入库酒精度≥60%vol，酱香型白酒的入库原酒酒精度≥54%vol[2]。目前市场销售的白酒产品的酒精度一般为50%vol～65%vol，以52%vol～55%vol为主。但近年来随着人们消费习惯的改变，低度白酒（酒精度＜45%vol）的市场占有率日益增加，其新产品的研发成为了白酒企业关注的重点。

蒸馏出来的白酒原酒是澄清透明的，但在加浆降度生产低度白酒的过程中，原酒中的部分微量成分会因溶解度降低而析出，引起酒体浑浊，甚至出现白色的絮状沉淀。为了解决降度产生的酒体失光、浑浊等问题，企业一般通过采用后处理工艺包括冷冻过滤[3]、膜过滤[4-5]、吸附过滤[6]以及这些过滤方法的联用[7-8]等方式来保证低度白酒的品质。选取合适的后处理方式，在去除引起酒体浑浊物质的同时，尽量保留白酒中的有益微量成分，是生产高品质低度白酒的关键。然而目前主要是通过感官检验或者浊度计分析来评价白酒降度后的浑浊程度，这就无法反映酒体中析出物的粒径大小，更难以准确指导后处理工艺的合理设计，如冷冻温度和时间、膜孔径、吸附材料等参数的精准选择。因此为了制定更合理的后处理方案，获得高品质的低度白酒，对降度白酒析出物的粒径及其分布进行精准测量具有重要的意义。

动态光散射技术是研究亚微米和纳米颗粒粒径及其分布的重要手段。该技术可以通过测量样品散射光强度的变化得出样品的粒径信息，且操作简单、分析快速，能够实现样品动态变化的实时检测[9-12]。目前，该技术已广泛应用于测定溶液体系中蛋白质[13-14]、淀粉[15]、金属纳米离子[16]、高分子聚合物[17]等的粒径及其分布。本研究利用高灵敏度Zeta电位及粒度分析仪测定了白酒原酒在降度过程中的粒径分布及其变化，并将检测结果与原酒降度过程中的浊度变化进行了比较，同时通过气相色谱法分析了原酒中主要挥发性微量成分的变化，阐释了引起降度白酒粒径变化的原因，以期为降度白酒后处理工艺的选择和优化以及高品质低度白酒产品的开发提供指导。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

白酒原酒样品1（酒精度为70.2%vol）、白酒原酒样品2（酒精度为69.8%vol）：取自泸州某著名浓香型白酒生产企业；超纯水：SIM实验室纯水系统制备，用于加浆降度；粉末活性炭：重庆酒类专用炭厂。

1.2 仪器与设备

2100Q型HACH浊度计：美国哈希公司；90PlusPALS型高灵敏度Zeta电位及粒度分析仪：美国布鲁克海文仪器公司；乌式黏度计：上海垒固仪器有限公司；WAY-2WAJ型阿贝折射仪：上海仪电物理光学仪器有限公司；Agilent 7890型气相色谱仪：美国安捷伦公司；SIM实验室纯水系统：北京飞翔赛思科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 浊度检测

用超纯水将白酒原酒样品1和样品2的酒精度稀释至65%vol、60%vol、55%vol、50%vol、45%vol、40%vol、35%vol、30%vol、25%vol、20%vol、15%vol、10%vol和5%vol，然后摇匀，以制备不同酒精度的降度白酒。用标准溶液对浊度仪进行校正后，将降度白酒加入试样容器中进行测定，取3次平行测量结果的平均值作为降度白酒的浊度。

1.3.2 粒径测定

采用粒度分析仪测定上述降度白酒的粒径及其分布。实验操作条件为：温度25℃，散射光强测定角度90°，激光器波长640nm，输入参与计算的降度白酒的折光率和黏度，然后进行测量，取3次平行测量结果的平均值作为降度白酒的有效粒径。测定结果的评判：基线指数≥5时，实验结果判为可信。

黏度的测定：用密度瓶准确测量降度白酒的密度ρ，然后移取10.0 mL降度白酒于乌氏黏度计中，25℃恒温水浴恒温10 min后，平行测定3次液体流动时间，取平均值t；最后按照如下公式计算黏度。

η=Kρt

式中：η表示待测液黏度，mPa·s；K为黏度计常数，mm2/s2；ρ表示待测液密度，g/cm3；t是液体流动时间，s。

折光率的测定：将2～3滴降度白酒均匀滴在阿贝折光仪的磨砂面棱镜上，液层均匀无气泡；调节消色调节器，使明暗界线清晰，不出现彩色光带；调节读数手轮，使分界线对准十字交叉线中心；记录读数与温度，平行测定3次取平均值作为降度白酒的折光率。

1.3.3 主要挥发性微量成分的含量测定

用气相色谱法测定白酒原酒和经后处理的降度白酒的挥发性微量成分含量。降度白酒的后处理方法是将酒精度25%vol和40%vol的降度白酒用1.5‰的粉末活性炭（以降度白酒的质量为基准）吸附沉降24 h，再用孔径0.22 μm的醋酸纤维素滤膜过滤。色谱条件为样品通过DB-WAX色谱柱（60 m×0.25 mm×0.25 μm）进行分离；气相进样口温度230 ℃；进样量1 μL，分流进样，分流比为50∶1；色谱柱的初始温度35℃，保持8 min，以2.5℃/min升温至40℃，再以5℃/min升温至100℃，然后以10℃/min升至200℃，再以20℃/min至220℃，保持10 min；载气为氮气（N2），流速为1.6mL/min；火焰离子化检测器（flameionizationdetector，FID），温度250℃。

2 结果与分析

2.1 降度白酒的浊度

图1 降度对白酒浊度的影响Fig.1 Effect of lowing alcohol content on turbidity ofBaijiu

浊度广泛用于评价酒类产品在加工处理过程中的浑浊程度和稳定性，通常浊度值越高，样品越浑浊、越不稳定[6]。由图1可知，降度白酒的酒精度为50%vol～70%vol时，浊度＜0.2 NTU；当酒精度降至45%vol以下时白酒的浊度增加；酒精度为25%vol时，样品1和样品2的浊度最高，分别为39.8 NTU和47.4 NTU；酒精度＜25%vol以后，浊度又逐渐下降；当酒精度为5%vol时，样品1和样品2的浊度分别降至3.21 NTU和3.33 NTU。白酒在加浆降度过程中产生上述浊度变化的主要原因是固态酿造白酒含有多种微量成分，这些微量成分的醇溶性不同，因此加浆降度时随着乙醇浓度的下降，特别当酒精度＜50%vol时会有部分微量成分析出，使酒体浊度升高、呈现乳白色的浑浊状态。但酒精度＜25%vol后酒体的浊度又逐渐下降了，这并不是因为析出的微量成分被重新溶解了，而是因为稀释倍数的增加，使得析出物的浓度降低所导致的。

2.2 降度白酒的粒径及其分布

降度白酒的酒精度＞50%vol时，样品澄清透明，粒径检测的基线指数＜5，实验结果不可信，因此表1中仅列出了酒精度≤45%vol的降度白酒的有效粒径、基线指数、黏度和折光率。实际上，根据浊度指标可知，白酒降度至酒精度＜50%vol时，才会有部分微量成分析出使酒体浑浊，故此时用动态光散射法也才能检测到酒体中析出的胶体颗粒的布朗运动，从而计算出降度白酒的有效粒径。

表1 动态光散射法检测降度白酒（酒精度≤45%vol）的有效粒径、基线指数、黏度及折光率Table 1 Effective particle size,baseline index,viscosity and refractive index of alcohol content-reducedBaijiu(alcohol content≤45%vol)determined by dynamic light scattering

由表1可知，当降度白酒的酒精度≤45%vol时，其有效粒径随着酒精度的降低呈现出先增加后减小的趋势，黏度和折光率缓慢下降。样品1的酒精度为40%vol时，其有效粒径达到最大890.16 nm，样品2则在酒精度为35%vol时有效粒径达到最大614.93 nm。从上述数据可以看出，样品1和样品2降度白酒出现最大浊度时的酒精度（25%vol）与其产生最大粒径时的酒精度明显不同。这是由于浊度仪和粒度分析仪（动态光散射法）的检测原理不同，用它们分析样品得到的浊度和粒径并没有可比性。这主要是因为随着稀释倍数的增加，样品1中析出物的含量降低了，故与析出物含量密切相关的浊度明显下降；而粒径还与降度过程中样品析出物的种类有关，所以变化不明显。

图2 降度白酒的粒径分布Fig.2 Particle size distribution of alcohol content-reducedBaijiu

进一步分析酒精度为40%vol、30%vol、20%vol和10%vol的样品的粒径分布（见图2），可以看出40%vol样品1的粒径主要集中在1 000～1 300 nm，有少量200～300 nm的颗粒，40%vol样品2的粒径则主要集中在800～1 000 nm，有少量300 nm左右的颗粒；30%vol、20%vol和10%vol样品的粒径分布更集中，分别在430～550 nm、235～260 nm和180～215 nm范围内。由于降度至40%vol的白酒样品有较多大颗粒物（800～1 300 nm）存在，直接用膜过滤法容易堵塞滤膜，因此可以先选择适合类型的吸附剂吸附沉降或者进行冷冻处理使大颗粒物沉降后，再用滤膜过滤。根据30%vol、20%vol和10%vol白酒样品中颗粒物的粒径分布，可以推测分别选用孔径0.45 μm、0.22 μm和0.1 μm的滤膜过滤上述白酒样品更为适合。与浊度仪相比，用粒度分析仪能够详细地得到降度白酒析出物的颗粒粒径大小及其分布状态，为更精准的选择降度白酒的后处理工艺参数提供指导。

2.3 降度白酒粒径变化的原因分析

白酒除了乙醇和水组分外，还富含酯类、酸类、醇类、醛酮类、含硫含氮类化合物等多种微量成分[18-19]，乙醇、水与这些微量成分之间通过氢键相互作用形成了微观缔合结构[20]。水与乙醇的极性不同，降度过程中白酒微量成分的溶解度会随着乙醇和水的浓度配比变化而改变。当原酒加浆降度至50%vol以下时，酒中的部分微量成分就会因溶解度降低而析出。选取浊度最大的降度白酒（酒精度25%vol）和有效粒径较大的降度白酒（酒精度40%vol）作为研究对象，用粉末活性炭吸附和醋酸纤维素滤膜（孔径0.22 μm）过滤后，检测了其的挥发性微量成分含量，并将其与白酒原酒进行了比较，以阐释降度白酒粒径变化的原因。

表2 过滤前后降度白酒的主要挥发性微量成分Table 2 Main volatile micro constituents in alcohol content-reducedBaijiubefore and after filtration

由表2可知，样品1和样品2的25%vol和40%vol降度白酒经过滤处理后，其含有的微量成分2-戊酮、β-苯乙醇、乙酸丙酯、棕榈酸乙酯、油酸乙酯和亚油酸乙酯被100%去除，其他酯类化合物经过过滤也有明显的损失。降度过滤后大部分的酸类成分含量增加，这主要是因为一些酯类成分水解产生了酸，而25%vol降度白酒的酸类成分含量的比例比40%vol降度白酒增加得多是由于酒精度越低，酯类化合物越容易水解；醛类成分中乙醛的含量增加，是由于其缩合物乙缩醛在降度后发生水解造成的[21-22]。这些结果说明，白酒中的部分酯类、醇类、醛酮类成分在加浆降度后析出是降度白酒产生乳白色浑浊、粒径改变的主要原因。25%vol样品1的有效粒径（317.31nm）＞25%vol样品2（304.72 nm），40%vol样品1的有效粒径（890.16 nm）＞40%vol样品2（598.43 nm），很可能是由样品1的酯类化合物，特别是高级脂肪酸乙酯（棕榈酸乙酯、油酸乙酯、亚油酸乙酯）的含量高于样品2引起的。综上所述，在温度一定的情况下，析出的微量成分的种类和含量影响着降度白酒的粒径分布。

3 结论

当白酒原酒加浆降度至酒精度＜50%vol时，其中的部分微量成分会因乙醇浓度的降低而析出，此时用动态光散射法可以检测到酒体体系中胶体颗粒的布朗运动，得到降度白酒的粒径及其分布。通过分析过滤前后降度白酒的主要挥发性微量成分可知，白酒中部分酯类、醇类、醛酮类成分，特别是高级脂肪酸乙酯的析出情况，是影响降度白酒的浑浊程度以及粒径分布的主要因素。与浊度仪相比，粒径分析仪对降度白酒粒径及其分布的快速、准确测定，可以更好地为降度白酒后处理工艺的吸附剂类型选择、工艺流程设计、设备参数确定等提供指导。