第六节 白酒蒸馏技术
蒸馏是利用组分挥发性的不同,以分离液态混合物的单元操作。把液态混合物或固态发酵酒醅加热使液体沸腾,在生成的蒸汽中比原来混合物中含有较多的易挥发组分,在剩余混合物中含有较多的难挥发组分,因而可使原来混合物的组分得到部分或完全分离。生成的蒸汽经冷凝而成液体。蒸馏方法较多,主要有简单蒸馏和精馏等。在白酒生产中,将乙醇和其伴生的香味成分从固态发酵酒醅或液态发酵醪中分离浓缩,得到白酒所需要的含众多微量香味成分及酒精的单元操作称为蒸馏,它属于简单蒸馏。白酒蒸馏方法分固态发酵法、液态发酵法及固液结合串香蒸馏法多种。
一、甑桶蒸馏的作用、原理和特点
在传统的固态发酵法白酒生产中,发酵成熟的酒醅采用甑桶蒸馏而得白酒。甑桶是一个上口直径约2m,底口直径为1.8m,高0.8~1m的圆锥形蒸馏器。用多孔箅子相隔下部加热器,上部活动盖和冷却器相接。甑桶是一种不同于世界上其他蒸馏器的独特蒸馏设备,是根据固态发酵酒醅这一特性而设计发明的。自白酒问世以来,千百年来一直沿用了甑桶这一蒸馏设备。
(一)甑桶蒸馏的基本原理
在白酒的成熟酒醅中,其各种香味组分可分为醇水互溶、醇溶水不(难)溶和醇不溶而水溶三类物质,前两类不同的香味组分在蒸馏过程中表现一定的规律,后者则多数残留于酒醅中。
1.醇水互溶的物质
这类物质基本上符合拉乌尔定律,与拉乌尔定律的计算产生正或负偏差,并可通过计算得知相应的挥发度和相对挥发度。这些组分在低酒精度的酒精——水混合液中蒸馏时,各组分在气相中浓度的大小,主要受分子吸引力大小的影响。倾向于醇溶性的物质,根据氢键作用的原理,除甲醇和有机酸外,多数低碳链的高级醇(丙醇、异丙醇)、乙醛和其他醛等,在甑桶蒸馏时各馏分的变化规律为酒头>酒身>酒尾。而倾向于水溶性的乳酸等有机酸、高级脂肪酸,由于其酸根与水中氢键具有十分紧密的缔合力,难以挥发,因此,在甑桶蒸馏时,各馏分的变化规律为酒尾>酒身>酒头。
2.醇溶水不(难)溶的物质
这类香味物质如酯类、高级醇类等倾向于醇溶性的物质,按照恒沸精馏的原理(特殊蒸馏),低酒精浓度时的乙醇,也可视为恒沸精馏中的“第三组分”。所谓“第三组分”是指混合液中加入某种组分后,该组分能与被分离的组分形成恒沸物,不过在甑桶蒸馏时这一“第三组分”不是人为加入的,而是恒沸混合液中固有的。作为第三组分的乙醇,使被分离的组分沸点降低和蒸汽压升高,对这些组分的蒸馏,除一般蒸馏原理外,可认为是恒沸蒸馏(或特殊蒸馏)。如高级醇(异戊醇等)、乙酸乙酯、己酸乙酯、丁酸乙酯、亚油酸乙酯、油酸乙酯等,这些馏分的变化规律为酒头>酒身>酒尾。而其中例外的是乳酸乙酯,从实测可知,它更集中于酒精含量为50%vol以下的尾酒中。
3.醇不溶而水溶的物质
这类物质如各种矿质元素及其盐类,在水中呈阴阳离子状态,多数醇难溶而倾向于水溶。它们的蒸馏既不符合理想溶液的蒸馏,也不符合恒沸蒸馏的原理。而根据氢键作用的原理,这类香味组分在低酒精浓度下蒸馏,低浓度酒精的影响又可忽略不计,则这些高沸点的、难挥发的、水不溶的(包括水溶性的乳酸等有机酸)物质与混合液和自身的沸点均无关,例如乳酸的沸点为122℃(1.867kPa),其他许多高级脂肪酸等的沸点也都在100℃以上,由于多组分的混合,使沸点降低,因此,可以在100℃以下进行水蒸气蒸馏。加之,甑桶蒸馏设备的特点,由于导汽管、冷却器和甑盖空间在冷却过程中产生一定的相对压力降,从而产生一定的抽吸作用,产生了“水蒸气拖带”或“雾沫夹带”,特别在大汽追尾时,其部分组分被蒸入酒中。因此,多数有机酸和糠醛等高沸点物质,在甑桶蒸馏时,各组分的变化规律为酒尾>酒身>酒头。而水蒸气蒸馏的原理,除适合于醇不溶而水溶的矿质盐类外,尚适合于醇水互溶的有机酸和高级脂肪酸等。
4.高级醇和甲醇的特殊规律
从上述蒸馏原理和规律可知,甲醇与高级醇均属醇水互溶的物质,其中甲醇可以任何比例与乙醇和水互溶,而高级醇可与乙醇互溶,在水中则溶解度较小。当有少量的高级醇存在时,可以认为是醇水互溶;当大量高级醇存在时,也可忽略为水不溶。设:异戊醇-乙醇-水为一个三元混合液,异戊醇和乙醇都含有—OH,都存在氢键作用力,由于白酒蒸馏是在低酒精浓度下的多组分蒸馏,混合液中的水含量在90%以上,水分子中有较强的氢键作用力,同时对乙醇和异戊醇都产生较强的氢键吸引力,但异戊醇的相对分子质量比乙醇大,妨碍了水与异戊醇氢键作用的缔合强度,而乙醇相对分子质量小,水分子和乙醇分子的缔合强度比异戊醇大,因此异戊醇比乙醇容易挥发。相反,在酒精含量很高时,或没有水存在时,乙醇与异戊醇的挥发性质又取决于它们的相对分子质量的大小,即乙醇比异戊醇容易挥发,而后者的情况在白酒蒸馏时不可能出现。各种高级醇的含量在甑桶蒸馏时的变化规律为酒头>酒身>酒尾。又设:甲醇-乙醇-水为一个二元混合液,同理,白酒蒸馏是低酒精浓度的蒸馏,混合液中有大量的水存在时,甲醇的相对分子质量小于乙醇,甲醇与水的氢键作用力大于乙醇,因此,在甑桶蒸馏时,甲醇比乙醇难以挥发。所以,甲醇的沸点虽低,但它们的挥发度始终小于10,在实际测定中,甲醇在各馏分中的变化为酒尾>酒身>酒头。
综上所述,白酒在甑桶中蒸馏应为特殊的蒸馏方式,其蒸馏原理除包括一般的蒸馏原理外,尚有恒沸蒸馏和水蒸气蒸馏的原理。有关白酒甑桶蒸馏的原理,尚有不同看法,有待于今后探索。
(二)甑桶蒸馏的特点
甑桶为圆台形(或称花盆状)桶身,下部为甑箅,被蒸馏的物料为固态发酵的酒醅,其蒸馏方式属于简单的间歇蒸馏。但蒸馏原理极为复杂,不同于一般的酒精蒸馏。其蒸馏特点可概括如下。
1.蒸馏界面大,没有稳定的回流比
如果说甑桶是一个填料塔,酒醅则是其中的填料层,作为填料层的酒醅,自身又含有水分,酒精及其他多种微量组分的混合液,呈疏散细小颗粒状。因此,这种填料层又不同于一般的填料层,甑桶也不是一般的填料塔。如果将甑桶作为填料塔来看,那么这种填料塔没有连续进料和出料的装置,也没有专门的回流装置,所以甑桶是一个特殊的填料塔,醅料既是填料,也是被蒸馏的物料,醅料层有较大的蒸馏界面,能减少混合液汽化后的蒸馏阻力,使之容易汽化。由于醅料层自身的阻力和通过底锅蒸汽的加热,使醅料层进行冷热交换,而产生的混合液汽化、冷凝和回流的过程,称为传热和传质。在醅料层汽化的冷凝液,受到底锅蒸汽的连续加热,进行反复的部分汽化、冷凝和回流。由于蒸馏过程中的各种变化因素极为复杂,并随时发生变化,因此,甑桶蒸馏没有稳定的回流比。
2.传热速度快,传质效率高,达到多组分浓缩和分离的目的
一般液态法蒸馏是以水或其他液态物料组成多组分的混合液进行蒸馏,而甑桶蒸馏的醅料层是以固态颗粒吸附混合液的方式进行蒸馏。酒精蒸馏时,为提高液体的蒸馏分离和提纯效率,采用多层塔板,将每层塔板的混合液反复汽化、冷凝和回流,其蒸馏特点为单组分的分离和提纯,又称精馏。甑桶蒸馏以固态酒醅为蒸馏对象,每个细小的物料颗粒相当于无数个细小塔板,这些含有混合液的细小颗粒,受到来自底锅蒸汽的加热,由于蒸馏界面大,而被迅速加热和微小汽化,汽化后的酒气通过醅料层的微小空隙,加之毛细管作用,使上层较冷的醅料颗粒,又迅速加热并部分汽化、冷凝和回流,被冷凝的回流液,刚好回流至邻近下层的醅料中。但这个回流液又很快地被不断上升的水蒸气或酒汽部分加热、汽化、冷凝、回流,如此反复不断,加之上升水蒸气的夹带作用,使下层醅料可挥发的组分逐层变稀,上层醅料可挥发的组分逐层增浓。而这种可挥发性组分增浓的特点和目的均不同于塔板精馏,塔板精馏的可挥发性组分增浓的目的,在于将不同塔板中可分离的不同组分,进行分离和提纯,以达到单组分分离和浓缩的目的。甑桶蒸馏是由醅料层组成的“颗粒塔板”,为“颗粒蒸馏”或“微孔蒸馏”,通过汽带作用和毛细管上升,使被蒸馏的物料中可挥发性的组分尽可能被蒸馏出来,在醅料层中可挥发性组分的增浓,使混合液中多种可挥发性组分同时得到浓缩和分离,而不需要某种单组分的分离和提纯。因此,甑桶蒸馏具有传热快、传质效率高、多组分的分离和浓缩效果好的特点,但比塔板单组分分离提纯的效果差。所以,甑桶蒸馏不同于精馏,白酒中的微量组分的量比关系也较复杂。
3.进料和蒸馏操作同步,酒精和香味成分提取同步
甑桶蒸馏为间歇蒸馏,无连续进料和出料装置,进料和蒸馏操作同步进行,提取酒精和多种微量香味成分也同步进行。蒸酒前,先在甑箅上撒少许稻壳,随后逐层撒入酒醅,底层的醅料经上升蒸汽的传热和传质,待醅料将要开始汽化时(即探汽上甑),再铺撒一层新的醅料,上层新的醅料又经下层醅料汽化后的酒汽冷热交换,待刚要进行部分汽化、冷凝时,又被新的醅料层覆盖,如此反复操作直至满甑为止。从整个装甑操作来看,甑桶蒸馏的特点为装甑操作和冷热交换同步,汽化和冷凝、回流同步,即边进料、边冷热交换,边汽化、边冷凝回流,直至满甑。满甑后的蒸馏操作,除装甑操作已完成外,其余的传热和传质过程均为同步进行,与酒精蒸馏的区别,在于没有专门的冷热交换塔板和回流装置。
4.蒸馏时醅料层的酒精浓度和各种微量组分的组成比例多变
酒精蒸馏时,各塔板的酒精浓度相对稳定,因此杂质分离较好。但在甑桶蒸馏时,不同醅料层的酒精浓度和微量组分的组成比例是在随时变化的。从蒸馏原理可知,设底醅层所吸附的混合液中酒精浓度为10%,该酒精浓度下的酒精挥发系数为5.1,则酒精在醅料中一次汽化时,酒精的蒸汽浓度为51%,如此逐层汽化,下层醅料的酒精浓度则由高至低,而上层醅料的酒精浓度则由低到高。设面层醅料经冷热交换,至开始汽化时,被醅料冷凝所吸附的混合液酒精浓度为60%,在该酒精浓度下混合液中酒精的挥发系数为1.3,则一次汽化后酒汽中的酒精浓度为78%,恰好与酒头馏分的酒精浓度较接近。根据以上两个计算举例可知,甑桶内醅料层的酒精浓度变化规律为,底层醅料酒浓度由高至低,面层醅料的酒精浓度由低到高,中层醅料层的酒精浓度变化较为复杂,大体上经过低、高、低的变化过程。在整个蒸馏过程中,各层醅料的酒精浓度,自下而上地增浓,但随着蒸馏过程的继续,各层醅料的酒精浓度又总呈由高至低的变化趋势,直至醅料中的残余酒精不能用常法蒸出为止。由于各层醅料酒精浓度的增浓或减少,在不同酒精浓度下的混合液,与之相混合的其他微量组分的挥发系数和精馏系数也在随时发生相应的变化。例如,当面层醅料的酒精浓度为60%时,乙酸乙酯的精馏系数为3.3,如果面层醅料混合液的酒精浓度降至10%,则乙酸乙酯的精馏系数为5.67。同理,在蒸馏过程中,其他香味物质和杂质的挥发系数和精馏系数,也会因混合液中酒精浓度的变化而随时发生相应的变化。因此,在甑桶蒸馏时,不同蒸馏时间所取的馏分,其酒精含量和微量香味成分的量比关系,都有较大的变化。
5.甑盖(云盘)与甑桶空间的相对压力降和水蒸气拖带蒸馏
从上述白酒蒸馏的基本原理可知,白酒醅料的混合液中的香味物质,包括醇水互溶、醇溶水不溶、醇不溶水溶三类物质,这些物质的蒸馏原理各有差别。根据不同组分的特性,其蒸馏原理包括接近理想溶液的蒸馏、恒沸蒸馏和水蒸气蒸馏等蒸馏方式,其中许多高沸点的组分,如高级脂肪酸等,在酒精蒸馏时绝大部分从塔釜排出,而在白酒蒸馏时常可依赖水蒸气蒸馏的雾沫夹带而被蒸出。由于甑桶排出的酒气,经导汽管(过汽筒)和冷却器冷却后产生相应的压力降,这种压力降又导致甑面和甑盖空间的相对压力降,形成了抽吸作用,加之酒醅的蒸馏界面大,恒沸蒸馏时少量的乙醇可作为“第三组分”,降低混合液的恒沸点和提高了蒸汽压,从而增强了水蒸气蒸馏的雾沫夹带作用,使一些难挥发的组分被蒸馏到白酒中,这是酒精蒸馏方式不可能办到。
由于目前对甑桶蒸馏的原理研究还很不够,因此对甑桶蒸馏的原理和特点,很难做出较为理想的和完整的说明,许多问题至今还只知其然,而不知其所以然,尚待今后进一步探讨。
(三)甑桶的设计依据
根据甑桶蒸馏的原理和特点可知,蒸酒过程中,酒、汽进行激烈的热交换,所以接触面积是衡量甑桶蒸馏效果的重要参数,这就是说要提高它的比表面积,这样酒汽才能均匀上升。
据生产实践,认为花盆状甑桶较好。这种甑上口直径比下口直径大15%~20%,同时,为了提高蒸馏效率,将直接蒸汽变为二次间接蒸汽,即将甑底蒸汽盘管(花管)下放到底锅水液面以下,从而可提高蒸馏效率1%以上。这种甑,若上甑技术较好,蒸馏效率可达95%,最低也可达80%以上。而且甑内蒸汽浓集较好,初馏分酒精含量在80%左右。但这种甑四周蒸汽沿边现象较为严重,特别是遇到冷材料、湿度大、稻壳又细的时候,钻边更为严重。这样,四周必须要多装酒醅,而且要压紧,而中心则装松些、少些,一般装成平甑或凹心甑,往往造成酒汽上升不匀,酒梢不利索,影响最终蒸馏效果。
为了克服上述甑桶的缺点,有人根据本厂的实际情况,设计出一种新型甑桶,其出发点有三:①吸取上述甑桶的优点,增大酒汽容积系数;②增大比表面积;③使蒸汽缓升,减少钻边现象。几种甑桶的主要技术参数,如表4-9所示。
表4-9 几种甑桶的主要技术参数
新设计的甑桶有下述优点:
(1)断面面积达到最大值,比表面积增大,蒸馏效果提高。
(2)酒汽容积系数增大,存留时间较长,甑内蒸汽压降低、温度降低。
(3)陡度变大,酒醅与甑桶壁间的附着力增大,蒸汽上升缓慢,钻边现象减缓。
(4)设有压力表、温度计,便于测温控压。
一般浓香型酒厂的甑桶体积为1.8~2.0m3。以上介绍的甑桶容积稍大些,不过在设计新甑时可以参考上述参数。
(四)甑边效应及减少酒损的措施
固态发酵酒醅在装甑过程中,可以发现酒汽经常由甑边率先穿出醅料层,然后再向甑中心区扩展。见汽撒料的结果是甑边料层高于中心区,形成凹状的表面料层,有人将此现象称之为甑边效应或边界效应。这一物理现象不仅发生于白酒蒸馏的甑边固-固界面上,而且发生在固、液界面上。如液态发酵罐内产生的CO2气体,沿罐壁或冷却管壁上升较从醪液中溢出更为容易。固态发酵法白酒的甑边效应,意味着在甑内醅料层上汽的不均匀性。尤其当蒸馏甑的结构、连接不合理或设备不保温等原因存在时,更会影响蒸馏效率。某厂蒸馏设备为金属甑体、过汽筒及甑盖,可移动的甑体与甑盖,甑盖与冷凝器的连接均采用水封式。经测定,在甑体与甑盖的水封槽中的水液,蒸酒后含酒精最高可达2%,平均为0.5%;每蒸一甑,过汽筒酒损0.68kg,甑盖酒损2.08kg。为了减少这部分的酒损,采取下列技术措施,获得了较好的成效。
(1)甑箅汽孔采用不同的孔密度。将承托固态发酵酒醅和通蒸汽的钢板汽孔,孔距由边缘区域向中心递减密度,以促使甑桶平面上各区域酒醅加热上汽趋向一致。如图4-2所示,将甑箅划分为4个区域。R为甑箅半径,设AC=CD=DO=R/3,AB=BC/4=R/15。各区截面积比例为Ⅰ∶Ⅱ∶Ⅲ∶Ⅳ=1∶3∶4∶1.2,取甑箅钻孔率为总面积的59%,孔径d8~10mm,则各区域钻孔密度如下:Ⅰ区900~1200个/m2;Ⅱ区650~800个/m2;Ⅲ区450~600个/m2;Ⅳ区为不钻孔。各区钻孔密度比为Ⅰ∶Ⅱ∶Ⅲ∶Ⅳ=2∶1.5∶1∶0.5。这样可保持甑箅孔上汽比较均匀,从而削弱甑边效应的不良影响。
图4-2 甑箅汽孔的不同孔密度
(2)对金属材料的甑体和甑盖采取保温措施。
(3)过汽筒连接甑口端应高于冷却器端,向冷却器方向倾斜,防止冷凝酒液倒流入甑内。
(4)曾经试验用双层甑桶,其间距有5~10cm空隙。使一甑的料层厚度分为2层,减轻酒醅自身压力,有利于上汽均匀畅流,减少窝汽短路现象,以提高蒸馏效率。
此外,还可设计加大甑边倾斜度;甑内壁改成波纹状或锯齿状;凸形甑箅以及大直径矮甑桶等,以减轻甑边效应。
二、甑桶蒸馏操作
(一)设备及准备工作
1.冷凝器
如果俗称锡锅的冷凝器的锡质不纯而含铅,则铅与酒中的乙酸等有机酸会生成可溶性的盐类进入酒中,危害人体健康;铅还能与酒醅在高温下产生硫化氢,生成黑色的硫化铅沉淀,导致人体慢性中毒。因此,蒸馏及贮酒等容器,不要采用含铅的金属。冷凝器、导管可使用食品级不锈钢为材料。
2.装甑前的准备
(1)底锅 底锅水要每天清换,底锅水温度高,可用虹吸管或手摇泵吸出。如果底锅水中有悬浮物,或溶解较多的蛋白质等成分,蒸馏时就会产生大量泡沫,串入酒醅内造成“淤锅”而影响出酒率及酒质。
底锅水位应与帘子保持50~60cm的距离,若距离太近,也易产生“淤锅”现象。
(2)冷凝器 冷凝器要定期刷洗,以防止杂菌滋长和提高冷却效率。
(3)拌料 酒醅要与辅料及新原料充分搅拌均匀,应松散而无结块。
物料要注意“两干一湿”,即甑底帘子上的物料要多含辅料,这样可减少酒损;待物料上汽均匀后,甑中部的物料含辅料量可相对少些;接近甑面的物料又要多用辅料,以减少跑酒。通常还可在甑的最底部帘子上,以及甑上层物料表面撒一薄层清蒸过的谷壳。
在冬季,由于物料不易保温,往往使品温偏低甚至物料发黏,加上水分较大时,更难装好甑。因此,要尽可能地将出池的酒醅一次完成拌料操作。
(4)其他 铺好底锅帘子后,撒上一薄层谷壳,再接上流酒管,放置接酒容器,并将冷却水调整到一定温度。
(二)装甑
1.装甑工具
装甑用木锨或簸箕均可,关键是操作人员要责任心强、操作细致、技术过硬。
2.装甑原则
要求以“松、轻、准、薄、匀、平”六字为原则。即物料要疏松,装甑动作要轻巧,盖料要准确,物料不宜一下铺太厚,撒料及上汽要均匀,物料从底至上要求平整。如果在装甑过程中偶尔造成物料不平而上汽不匀时,可在不上汽的部位扒成一个坑,待上汽后,再用辅料填平。装甑不应过满,以装平甑口为宜。
3.装甑方法
有两种盖料法。一种是“见湿盖料”,即蒸汽上升,使上层物料表面发湿时盖上一薄层物料,以免跑汽而损失有效成分。采用该法时如果技术不熟练,会造成压汽现象;另一种方法是“见汽盖料”,即待物料表面呈现很少白色雾状酒气时,迅速而准确地盖上一薄层物料,采用该法不易压汽,但若掌握不好容易跑汽。上述两法各有利弊,可根据操作者的实际情况择一而用。
(三)蒸馏
蒸馏过程中,操作者要注意以下几个问题。
1.汽量的掌握
(1)原则 蒸馏时开汽的原则为“缓汽蒸馏,大汽追尾”。即馏酒过程中用汽要缓,不宜开大汽;待馏出的酒液酒度较低时,可开大汽门,以追尽酒尾。待酒尾流尽后,可敞盖用大汽将醅中的不良气味驱散。当然,在装甑过程的中间阶段,开汽量也应较大,否则会造成压汽而无谓地延长装甑时间,但两头的开汽量宜小,最好在甑上安装水压柱,以观察蒸馏是否平稳。
(2)实例两则
例1:以高粱为原料,蒸馏时料醅比为1∶4.5,快火蒸馏及慢火蒸馏比较的条件及结果如表4-10、表4-11、表4-12所示。
表4-10 快火蒸馏及慢火蒸馏的条件
表4-11 快火、慢火蒸馏原酒成分比较 单位:g/100mL
表4-12 快火、慢火蒸馏原酒品尝比较
例2:将大酒醅进行快火与慢火蒸馏比较,快火蒸馏25min,得酒精为65%vol的白酒155kg。慢火蒸馏45min,得酒精为65%vol的白酒169kg。慢火蒸馏的酒,正品率高,总酯比快火蒸馏高7.7%,高级醇两者接近,醛含量取决于冷却器的冷却效果。原酒品尝结果,小火蒸的酒香气浓、较绵柔,大火蒸的酒味冲烈。
2.接酒温度
接酒温度不宜太高或太低,以30℃左右为宜。因为接酒温度较高时,虽然可挥发掉硫化氢及乙醛等杂质,但同时也会散失所需的香味成分。
在装甑过程中,下层酒醅中的酒精不断蒸发,同时又不断被新装入的酒醅冷凝,这样循环不息,当物料快满甑时,下层酒醅中的酒精已很少了,酒精集积于上层酒醅中。因此,上盖后,酒气会很快冲出,如果冷凝器的效能不足,会产生憋气现象。因此,应保证足够的冷却面积,并合理控制冷却的温度。
3.看花取酒
馏出酒液的酒度,主要以经验观察,即所谓看花取酒。让馏出的酒流入一个小的盛器内,激起的泡沫称为酒花,历史上沿袭“看花量度”或“断花截酒”,都是根据酒花的变化情况来接酒。
“看花量度”是基于各种浓度的酒精和水混合溶液,在一定的压力和温度下,其表面张力不同的原理。因此在摇动酒瓶或冲击酒液时在溶液表面形成的泡沫大小、持留时间也不同,据此便可近似地估计出酒液的酒精含量。在大部分酒厂蒸馏时看花可分为下列5种,经实际测定其相应的酒精浓度及酒气冷却前的温度如下:
(1)大清花 花大如黄豆,整齐一致,清亮透明,消失极快。酒精含量在65%~82%vol范围内,以76.5%~82%vol最明显。酒气相温度80~83℃。
(2)小清花 酒花大如绿豆,清亮透明,消失速度慢于大清花。酒精在58%~63%vol,以58%~59%vol最为明显。酒气相温度90℃。小清花之后馏分是酒尾部分。至小清花为止的摘酒方法称为过花摘酒。
(3)云花 花大如米粒,互相重叠(可重叠二三层,厚近1cm),布满液面,存留时间较久,约2s,酒精含量在46%vol时最明显。酒气相温度约为93℃。
(4)二花 又称小花,形似云花,大小不一,大者如米粒,小者如小米,存留液面时间与云花相似,酒精为10%~20%vol。
(5)油花 花大如1/4小米粒,布满液面,纯系油珠,酒精含量为4%~5%vol时最为明显。
酒花的变化也可反映装甑技术的优劣。装甑好则流酒时酒花利落,大清花较大,大小一致,与小清花区别明显,过花后酒度降低快酒尾短。反之装甑技术差,便会出现大清花与小清花相混不清,花大小不一,酒尾拖得很长。
4.蒸馏事故
淤锅即底锅水冲入甑内。若发生这种现象,就得停止蒸馏,将酒醅挖出,拌上辅料,再行装甑蒸酒。发生这事故损失很大。发生原因在于底锅水不净,未及时处理,漏入锅内糟醅,使水黏稠,产生泡沫上溢。
三、蒸馏中物质的变化
自20世纪60年代始至90年代曾先后在麸曲及大曲酒厂多次对甑桶蒸馏进行了查定,其酒精及香气成分的行径是完全一致的。常规分析见图4-3及图4-4。香气成分色谱分析的结果见表4-13、图4-14、图4-15。查定的某浓香型优质酒的结果见图4-3至图4-7。
图4-4 麸曲固态发酵糟酒蒸馏测定
1—酒精×10 2—总酸×10-1 3—总酯×10-1
4—总醛×10-2
表4-13 馏分中酸的分析结果 单位:mg/100mL
图4-7 高级醇蒸馏曲线
1—正丁醇×10 2—异丁醇×10 3—正丙醇×10
4—异戊醇×10 5—仲丁醇×10 6—正己醇×10
7—正庚醇 8—正辛醇 9—酒精
1—酒精×10 2—总酸×10-1 3—总酯×10-1
4—总醛×10-2 5—甲醇×10-2
表4-14 馏分中酯、醇、醛各成分的分析结果 单位:mg/100mL
表4-15 馏分中高沸点酯的分析结果 单位:mg/100mL
注:图4-5~图4-7 的馏分1~2 为酒头,每一馏分自蒸馏开始计截取2L;3~7馏分为中流酒,每一馏分截取5L;第8 馏分起为酒尾,本馏分截取4.6L;9~11馏分各截取10L;各馏分混匀后取样分析。
图4-5 酸类蒸馏曲线
图4-6 乙酯类蒸馏曲线
1—乙酸乙酯×102 2—己酸乙酯×102
3—戊酸乙酯×102 4—丁酸乙酯×102
5—乳酸乙酯×102
固体发酵酒醅装甑蒸馏和液体发酵釜式蒸馏过程中各种香味成分的行径相同。用常规分析查定,在蒸馏初期集积的主要成分是酯、醛和杂醇油;随着蒸馏时间的延长,它们的含量也随之下降,唯独总酸适得其反,先低后高。甲醇则在初馏酒及后馏酒部分低,中馏酒部分高。据内蒙古轻工业研究所分析室应用气相色谱分析查定某优质白酒的主要香气成分蒸馏时的行径结果是:甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、庚酸、乳酸总的趋势是由少到多。若以流酒断花后的馏出量占总量百分含量计算,分别为:乙酸81.24%,己酸89.04%,丁酸90.11%,乳酸94.20%。可见,绝大部分的酸组成分都在酒尾中,其中乙酸、丁酸、己酸及乳酸在中馏酒以后呈直线上升。
乙酸乙酯、丁酸乙酯、己酸乙酯由高到低,主要集中在成品酒中。其中乙酸乙酯更富集于酒头部分,它们在酒中含量占总馏出量分别为:乙酸乙酯89%,己酸乙酯84%,丁酸乙酯81%,乳酸乙酯15%。乳酸乙酯则大量地存在于酒精含量为50%vol以后的酒尾中。
高沸点乙酯中含量最多的棕榈酸乙酯、油酸乙酯及亚油酸乙酯3种成分主要富集于酒头部,随着蒸馏的进行,呈马鞍形的起伏。
异戊醇、异丁醇、正丙醇、正丁醇和仲丁醇在蒸馏过程中呈较为平稳而缓慢的下降趋势;在断花之后下降幅度较大;它们在酒中的含量占总馏出量的百分率依次分别为:82.73%、87.23%、82.23%、78.75%及77.68%。
乙醛与乙缩醛随蒸馏进程而逐步下降,较多地集中于前馏分中,总馏出量的80.24%乙醛及90.72%乙缩醛存在于成品酒中。糠醛则仅在中馏酒的后半部分才开始馏出,并呈逐步上升趋势,主要存在于酒尾中,约占总馏出量的80%。
蒸馏查定不仅显示了香气成分在蒸馏过程中的行径,而且是科学而有效地掌握掐头去尾蒸馏操作的依据。在天锅改为直管式冷凝器后,20世纪60年代酒厂均采用锡制冷凝器,冷凝后的酒液虽在底部出口处,但往往并不是紧贴冷凝器的底口,而且冷凝器的底部势必残留有上一甑的酒尾。酒尾水分大、酸度高,导致与锡料中的铅产生含铅化合物,使下甑最初的馏液有一短暂的低酒高酸及铅含量超国家标准的现象出现。曾采用冷水冲洗冷凝器内部,再连接蒸酒的方法,但仍无效。初馏液是香气成分最富集的区域,因此当时提出了合理的截头量应在1.5kg以内。近年来锡制冷凝器早已为不锈钢所替代。有的厂冷凝器底部也做成有斜度,不至于残留酒尾。据此是否还须截头,值得商榷。一些酒厂截头量过大显然是有损于香气成分的收集。
至于去尾问题,不同香型酒应有不同的要求。酱香型及芝麻香型酒一般交库酒的酒精含量在57%vol左右,而浓香型酒需要在酒精含量65%vol时交库为宜。曾经查定的一个浓香型大曲酒结果表明,己酸乙酯与乳酸乙酯的比例由蒸馏初流液(2kg,酒精含量为75%vol)的7.74下降至第8馏分(断花前馏分,4.6kg,酒精含量为53.5%vol)的0.71,再次说明浓香型在蒸馏过程中截取高度酒对增己降乳的必要性。
蒸馏查定还显示了合理而有效的利用酒尾的重要性。酒尾中除含有20%~30%vol酒精外,尚残存有各种香气成分,特别是各种酸类含量很高。通常将酒尾回底锅复蒸,回收率是较低的。利用酒尾作为固、液结合法的白酒香源和食用酒精勾兑成普通白酒是较为合理的。近年来,将其和黄浆水混合加酯化曲发酵成白酒香味液,经蒸馏用于勾兑也是可行的。但各厂发酵酒醅质量不同,因此要做到合理利用,还必须首先分析这些“原料”的酸组成分,否则“原料”质量不好,反而事倍功半。
从蒸馏过程香气成分变化测定结果,同样说明了为什么低度白酒应采用高度酒加水稀释的生产工艺,而不能直接蒸馏至含酒精40%vol以下的缘由。主要并不是浑浊不清的外观现象,而是香味组成分的平衡破坏失调,从而使口味质量下降,甚至失去本品的风格特征。
四、蒸馏中酒精及主要香气成分的提取率
在甑桶蒸馏白酒时,人们普遍关心的一个问题就是酒醅中酒精及香气成分的提取率。也就是通常说的丰产能否丰收。关于酒精的回收率,1965年,内蒙古包头酒厂试点组曾对麸曲白酒二锅头大生产进行过三次查定,结果分别为101.5%、100.73%,92.93%。应该说,在细料短期发酵、用糠量较大、疏松度较好的麸曲酒中,蒸馏提取率还是较高的。至于香气成分的提取率,因为当时色谱分析方法尚处于起始研究阶段,为了探讨存在于白酒中的一些主要酸、酯的提取率,采用添加已知标准酸、酯的方法,进行小型提香试验,结果如下。
1.香醅添加标准酸蒸馏提取回收率
取大生产出池的发酵香醅350g,准确地分别添加经测定已知浓度1mol/L左右的各种标准酸20mL,为使拌和均匀及避免香醅过潮而影响蒸馏,先将20mL标准酸和20g谷糠拌和,再与香醅拌匀。对照者不加标准酸,加20mL水代之,以求条件一致。底锅酒精按4∶1(醅与酒精比)量添加,并将酒精冲稀至60%vol,进行串蒸。
标准酸加入底锅者,操作手续与对照完全一致,只是将酸直接加入底锅中。
标准酸的回收率计算,以对照样品所得之酒及酒尾中含有的酸作为基准,再以加入的酸量计算各该酸的回收率,结果如表4-16所示。
表4-16 某些主要酸类在串蒸中的回收率
2.香醅添加标准酯蒸馏提取回收率
试验及计算方法均同标准酸添加试验一致,只是标准酯的浓度不同,结果如表4-17所示。
表4-17 某些主要酯类在串蒸中的回收率
从以上试验结果可知,酸的提取率均低于酯类,在酒尾中大于成品酒中。相对分子质量较高、溶于水能力小的己酸比乙酸高,这与以后用色谱分析查定提取率的结果完全一致,与道尔顿定律相符。乳酸属不挥发性酸,在小型试验中体现不出其拖带作用。同时还显示了酒尾回底锅复蒸时;大部分酸将不被蒸出。在两种乙酯类中,乙酸乙酯的提取率高于己酸乙酯,在相当于甑桶蒸馏时,两者在酒中的提取率分别为73.3%和53.9%。这一趋势与以后的色谱分析查定基本上是一致的。
1994年在某浓香型大曲优质酒厂,采用酒精萃取、结合毛细管色谱的酒醅分析方法,并与大生产工艺查定组密切配合,对发酵60余天后的酒醅准确计量并翻拌均匀后装甑蒸馏,取样分析计量后进行计算。其主要酸、酯的提取率如表4-18所示。
表4-18 某些主要酸、酯的提取率
山东景芝酒厂沈尧绅、于振法等发表的《甑桶蒸馏时酒醅中各种微量香味组分蒸出率的初步查定报告》中提出的各种香气成分的提取率,结果如表4-19所示。
表4-19 酒醅与酒的分析结果及蒸出率 单位:mg/kg
根据以上对浓香型大曲酒的生产查定结果,在成品酒中,主体香气己酸乙酯的提取率为63%~64%;乳酸乙酯则较低,酸的提取率更低,一般在5.5%以下。
高级脂肪酸乙酯的蒸馏回收率测定结果如表4-20所示。
表4-20 蒸馏前后高级脂肪酸乙酯的对比
3种高级脂肪酸乙酯的沸点高,均为醇溶性,在甑桶蒸馏时蒸出量仅4%~18%,大部分残留在酒糟中。日本烧酒液态釜式蒸馏时,蒸馏回收率为15%左右。
五、蒸煮糊化
(一)蒸煮的作用
蒸煮的作用是利用高温使淀粉颗粒吸收水分、膨胀、破裂,并使淀粉成为溶解状态,给曲的糖化发酵作用创造条件。蒸煮还能把原料上附着的野生菌杀死,并驱除不良气味。浓香型曲酒系用混蒸法,即蒸酒蒸粮同时进行,因此,蒸煮(馏)除起到上述作用外,还可使熟粮中的“饭香”带入酒中,形成特有的风格。
淀粉是一种亲水胶体,吸收水分后能发生膨化现象,这是由于水分渗入淀粉颗粒内部,使淀粉的巨大分子链扩张,因而体积膨大,质量增加,随着温度的升高而继续膨化。在一定范围内,当淀粉颗粒的体积已增加到50~100倍时,各巨大分子间的联系削弱,从而导致淀粉颗粒的解体,此现象称为淀粉糊化。
在糊化时,淀粉结晶体的构造仅部分破坏,本来排列整齐的淀粉层变化成错综复杂的网状结构,这种网状结构是由巨大分子的胶淀粉的支链相互联系的。随着温度的继续升高,此种网状结构又可断裂成更小的片段。
蒸馏(煮)的温度变化,如表4-21所示。
表4-21 蒸馏(煮)温度的变化
(二)影响糊化的因素
原料糊化的好坏与产品质量和出酒率有密切的关系。影响糊化的因素很多,现分述如下。
1.原料粉碎度
酿造大曲酒的原料都先经过粉碎,粉碎度过粗或过细都不利于糊化和发酵,但曲酒的酒醅都经过多次发酵(续糟发酵),原料并不需要过细。
2.出窖酒醅的水分和酸度
粮粉在蒸煮前先经过润料,出窖酒醅中水分越大,酸度越高,粮粉吸收更加容易;母糟干燥则粮粉吸水困难。
3.润料时间的长短
淀粉在润料时吸取了酒醅中的水分,颗粒略有膨胀,为其糊化提供良好条件,同时淀粉在酸性介质中比中性或碱性介质中容易糊化。润料时间越长,粮粉吸水越多,对糊化越有利。
4.粮粉、酒醅(母糟)、稻壳比例
三者适当地混合,可为蒸煮糊化创造有利条件。粮粉与酒醅配比大,吸水和酸的机会增多,适当地配以稻壳,可使穿汽均匀。
5.上甑速度和疏松程度
上甑太快,来汽不均,粮粉预煮时间减少,影响糊化;太慢又会跑汽,影响产酒。
6.底锅水量和火力大小
底锅水量的多少,直接影响蒸汽上升量,火力大小(或蒸汽压力高低)也影响蒸汽的上升速度。蒸汽的上升速度及数量都是影响糊化的重要因素。
7.蒸煮时间的长短
在蒸煮(馏)过程中,前期(初馏阶段)甑内酒精浓度高,而甑内温度较低,一般只有95~100℃。到后来,随着流酒时间的增长,酒精浓度逐渐降低,这时甑内温度可达102℃(吊尾阶段),可使糊化作用加剧,并将部分杂质排出。有的厂不规定具体的蒸煮时间,只是吊尾完毕即中止。蒸煮时间短,起不到应有的作用,造成出酒率低,尤其对发酵期短的影响更大。但蒸煮过度,酒醅发黏、显腻,给操作和糖化发酵带来恶果。
总之,影响糊化的因素很多。直到现在,对蒸煮糊化质量的检验尚无一套合理、准确的方法。一般只在外观上要求蒸透,即所谓“熟而不黏,内无生心”就可以了。
从表4-22可以看出,同样的润料时间,蒸煮时间越长,糊化率越高。蒸煮60min比50min的糊化率高1%左右;蒸粮70min又比蒸粮60min的糊化率高1%~2%。对固态续糟发酵法,糊化率多少为佳,尚无指标可循。从生产实践来看,若每甑投粮120~130kg,蒸煮60min是比较合理的。
表4-22 不同蒸煮时间的试验
六、白酒蒸馏设备及工艺的改进
(一)改进蒸馏设备
目前所使用的白酒甑桶蒸馏设备存在着许多不尽合理的地方,其突出问题是热力结构的畸形分布与过小的容积热强度等。这不仅极大地妨碍酒醅中醇、酸、酯、醛等有益物质的提取,在很大程度上影响酒质的提高,而且还在一定程度上影响出酒率。根据这一情况,江苏省众兴酒厂采用正交试验法,对白酒甑桶蒸馏设备的关键技术参数进行优选,收到了较为显著的效果,措施如下。
(1)将甑桶下部起承托和通汽作用的箅子板下的环形蒸汽释放管的直径适当缩小,并将原来的单排孔眼改为孔距内密外疏且与竖直方向成45°分布的双排双眼,这样减少了蒸汽流动阻力,促使蒸汽向甑桶中心区域集中排放,以提高甑桶中心区域酒醅温度。
(2)将原来承托酒醅的长条形孔眼铸铁甑箅改为圆孔不锈钢板甑箅,而且采用孔距由边缘区域向中心区域递减的不等距孔眼。其目的在于减少中心区域的通汽阻力,适当增加边缘区域的通汽阻力,克服老甑桶边区过热而中间偏冷的热力结构畸形分布的弊病,从而促成整个甑桶平面上各点酒醅受热后温度趋于一致,上汽均匀,有利于形成甑桶内各处酒醅同步蒸馏,以避免各点因受热不均,馏酒有先有后,造成优质酒与酒头、酒尾混在一起而影响酒质。
(3)将甑盖圆锥台部分的高度由原来的600mm降至300mm,使甑盖内容积缩小一半,这样就大大提高了甑盖内的容积热强度值。同时将原来单层不锈钢甑盖改为填充硅酸铝保温的双层甑盖,这些都促使甑盖内形成有利于酒醅中有益组分馏出的小环境。此外,还在甑盖内贴近甑桶口水封槽处加一圈窄窄的挡酒圈,有效地防止了冷凝在甑盖内壁上的液态酒落入封口水槽中或封口酒槽中,从而减少了酒损。
(4)将原来配套使用的老式敞口列管式冷凝器改为新型密封式高效冷凝器,既提高了冷凝效果,又增加了排杂功能,有利于酒质和出酒率的提高。
蒸馏设备通过上述改进后,取得如下效果。
(1)有效地改进了甑桶内的热力结构,使之分布趋于合理,并提高了甑盖内容积热强度值。比如,改进后在甑盖盖紧之前瞬间测得甑桶口平面以下25cm处中心区至边区各点酒醅温度为(92±1)℃,各点温度相差不大;而改进前一般中心区温度为85℃,边区为93.5℃,温差较大,不利于各处酒醅同步馏出。
(2)己酸乙酯含量大幅度提高。改进后蒸馏摘取的优质大曲酒(45d发酵期)综合样的己酸乙酯含量较改进前平均提高25.45%。
(3)总酸总酯增幅较高。总酸总酯含量高低也是影响大曲酒质量的重要指标之一。改进后摘取的优质大曲酒综合样的总酸总酯含量较改进前平均提高16.95%,而且几大酯比例也较谐调。
(4)改进后出酒率平均提高2.2%。
(5)改进后酒质提高了一个档次。
(二)改进蒸馏工艺技术,提高主体香成分的蒸馏得率
实践经验告诉我们,一窖发酵良好的酒醅不一定能满意地将其香味物质蒸馏于酒中。这就是说,蒸馏环节有可能不能真实地反映发酵结果。四川省全兴酒厂和四川省酒类科研所采用电脑温度巡检仪测定,画出了甑内温度场模型图。通过分析研究,发现目前这种结构形式的桶形甑具备最佳提酯条件的区域较少,从而找到了“发酵虽然丰产,但蒸馏并不丰收”的主要原因。
以酒精为主体的溶液中,在饱和状态下,其饱和温度与气相酒精浓度有着固定的对应关系,如果测出甑内各点的酒气饱和温度,就能查出它所对应的气相酒精浓度。通过电脑温度巡检仪测出了甑子内部在上甑和馏酒两种情况下的酒精浓度变化,综合考查全甑在某一时刻的酒精分布情况,即酒度场。酒度场的图像可以反映各处甑位上的提香能力。当然,不同的甑桶尺寸、糟醅情况与上甑技巧,其蒸馏特点是不同的。
(1)在高度50cm甑位以下的区域,盖盘时糟子中还含有10%~18%的酒精,这部分酒精不可能在短短的流酒时间内馏出进入酒中,从而造成蒸馏损失,所以本例操作技术不应属于好的范围。
(2)盖盘时能聚起气相60%的酒精(约相当于液相15%)的甑区范围大约占20cm,约1/4甑位高度。根据提香原则可以认为,只有这一区域才具备必要与充分的提香条件,其余甑区不完全具备这一最佳的提香条件,这是甑桶存在的一个严重问题。不满足充分提香条件的甑区是如此之多,如将发酵良好的优质母糟放置于这些地方,其有效的香酯成分除少数进入酒中外,其余的大部分将随水蒸气进入尾酒以及继后的水蒸气中,白白地流失了。
(3)流酒开始后,50cm以上甑区的糟醅所含酒精开始减少,尤以糟面下一薄层减少较快。在断花时,这一层有效提香区平均还含有35%左右的酒精,其所含的有益成分只能进入尾酒之中。
(4)桶形甑的蒸馏特性只有到上甑完毕时才最后确定下来,而且不能再更改。为此,可以更明确地把“提香靠蒸馏”深化为“提香靠装甑”来理解,这样,似乎对生产更具有指导意义。蒸馏操作如忽视了上甑,盖盘后无论怎样改变操作条件都不能与缓火蒸馏相提并论。
根据桶形甑的蒸馏特征来选择糟醅品质,并把它放在恰当的甑区才是一个较为合理的上甑方案。全兴酒厂采取发酵期长、短相结合的配糟生产方式,将发酵与蒸馏有机地组合起来,取得了良好的效果和经济效益。
采用发酵-蒸馏有机组合,应注意以下几个问题:
(1)当增大提酯量后,对下一排母糟的发酵能力、生香能力有良好的影响。试验窖池出酒率高于车间平均出酒率1.7%,优质品率高出车间平均优质率11%。
(2)特殊的降酸调酸作用。全兴酒厂采用“一带一”的配套蒸馏方案,即一个长期发酵的优质窖带动一个短期发酵窖,这样,蒸馏后高酸和低酸综合,可有效调节入窖糟的酸度,对夏季生产特别有利。
(3)全兴酒厂在生产过程中贯彻“以糟养糟,以窖养糟,以糟养窖”的方针。一段时间以来,质量较差的母糟只进行本窖循环,结果无多大作用,实行组合工艺后,优质良好的母糟起到“扶贫”作用。通过配套蒸馏后,它们所具有的丰富的生香前体物质都扩散到相应的窖池中,因此有效地促进了下一排产香率的提高。
七、液态发酵蒸馏法
在我国南方广西、广东、湖南等省的传统白酒中,有一种以小曲为糖化发酵剂进行液体发酵与蒸馏的产品。其中以广西三花酒、广东米酒和玉冰烧酒为典型,风格质量独具一格。新中国成立初期产量小,一般都将发酵醪盛于锅中用直火蒸馏,掌握不当就会产生焦煳气味带入酒中。随着产量提高,生产技术的发展,至今已全部改用蒸汽加热。其蒸馏方法颇与日本产的烧酒相似。
(一)蒸馏操作
以三花酒为例,将发酵成熟醪用气液输送方式压入待蒸的醪液池中,再用泵打入釜式蒸馏锅内,使用间接蒸汽加热,常压蒸馏。釜的大小可根据生产规模设置,材质以不锈钢为好。成熟发酵醪的要求为:酒精含量10%~12%vol(20℃计),总酸0.6~1.0g/100g,还原糖0.12g/100g左右,总糖0.8g/100g左右。设备示意图见4-8。
蒸馏操作要点如下。
(1)进醪前先检查蒸汽管路、水泵、阀门等是否正常。关闭排糟阀门,开启进醪阀门。
(2)用泵打入蒸馏锅中的成熟酒醪占锅体容积的70%左右,以便于加热蒸馏时醪液对流,避免溢醪。
图4-8 三花酒蒸馏釜示意图
1—蒸酒锅 2—冷却器 3—接酒罐 4—酒泵 5—计量仪
蒸酒锅 材质:不锈钢全容积:8m3有效容积:5m3
冷却器 材质:不锈钢冷却面积:42m2
接酒罐 材质:不锈钢
(3)开蒸汽进行蒸馏,初蒸时蒸汽压不得超过0.4MPa,流酒时保持0.10~0.15MPa。在流酒期间,不能开直接蒸汽,只能开间接蒸汽加热蒸馏。
(4)初馏酒酒精浓度较高,香气大,摘酒头5~7kg,单独入库贮存作勾兑调香酒。之后一直蒸馏至所需酒精浓度,在所需酒精浓度之后的酒尾,掺入下一锅发酵酒醪中再次蒸馏。
(5)蒸酒时汽压要保持均衡,切忌忽大忽小,流酒温度应在35℃以下。
(6)在酒尾接至含酒精2%后,即可出锅排糟。排糟前必须先开启锅上部的排汽阀门,然后缓慢地开启排糟阀,以避免急速排糟,使锅内外压力不平衡,导致锅内产生负压而吸扁过汽筒和冷却器的现象。
(7)根据水质硬度和使用情况,应定期对冷凝器进行酸洗,去除结垢,以提高冷凝效率和节约用水。
(二)蒸馏原理
1.酒精水溶液的蒸馏
液体混合物的蒸馏过程,系根据混合物内所含的各种液体具有不同的挥发性,即处在同一的温度下具有不同的蒸汽压力的原理而进行的。例如酒精水溶液,在任何温度下,其酒精的蒸气压总是比水蒸气压要大得多。所以蒸汽中的酒精含量要比被蒸发的酒精水溶液中的含量为多。
酒精和水的混合物沸点取决于它们在混合物中的数量比。在标准压力下,水的沸点为100℃,纯无水酒精的沸点则为78.3℃。随着酒精含量的逐渐增高,被蒸馏液体的沸点可以接近于纯酒精的沸点,当酒精含量降低时,混合物的沸点可一直升高到完全除去酒精时的100℃。
酒精和水混合物的酒精含量、沸点以及沸腾时在蒸汽中的酒精含量之间的关系,对白酒蒸馏具有现实意义。为了理解白酒发酵成熟醪的蒸馏原理,现以含水酒精溶液的间接加热法为例加以说明。当然在实际生产中,发酵醪内还存在有除酒精以外的挥发性成分和固体物质等不挥发性成分,同时在蒸汽直接加热时,水蒸气冷凝成水而使醪液稀释等,使情况较为复杂些。
加热各种含酒精的溶液所产生的蒸汽中的酒精含量如图4-9所示。含13%酒精的醪液加热时,在91.1℃沸腾,此时蒸汽中的酒精含量为60.7%。蒸汽中的酒精含量随液体中酒精含量的增加而增加。但是这种增加不是成比例的,在曲线的中部,显得特别的弯曲。不同浓度酒精水溶液蒸馏时在蒸汽中的酒精含量列于表4-23中。
图4-9 酒精水溶液的蒸馏
表4-23 液体及蒸汽中的无水酒精含量
2.分凝
分凝就是利用蒸汽的冷却和部分凝聚作用,将蒸汽分成浓度较低的液体部分(回流)和浓度较高的蒸汽部分。前者在操作过程中又回入蒸馏罐内,而后者则导入冷凝器中。冷凝器将所有进入的蒸汽全部冷凝,而分凝器根据温度的控制只冷凝进入其中的部分蒸汽,并将它作为回流而流回蒸馏罐。其余蒸汽则进入冷凝器,冷却成含酒精的液体。
图4-10为烧酒发酵醪液在间接加热时,蒸馏罐内发酵醪液的酒精含量和蒸馏液酒精含量的关系。当醪液含酒精为13%vol时(相当于10.5%质量分数),蒸馏时产生的蒸汽实际酒精质量分数为57.5%,即相当于酒精为65.5%vol。这与图中所查得的60.7%vol相比较要高。这一现象是因为蒸汽的一部分在蒸馏罐的上部冷凝,沸点高的水比沸点低的酒精多所致。这就是分凝现象。
图4-10 大米原料烧酒的蒸馏
采用罐式蒸馏,可以看到蒸馏开始时,由于发酵醪的酒精含量较高,因此蒸馏液的酒精含量也高。随着蒸馏时间的延长,蒸馏液的酒精含量也随着被蒸醪液的酒精含量降低而逐渐下降。为了要取得含酒精60%~65%vol的混合馏液,从分凝器流回罐内的回流量也必然越来越多。这不仅使蒸汽耗量增大,蒸馏效率降低,而且也使一些水溶性大的如乳酸及乳酸乙酯等香味成分不能被蒸入酒中,这是罐式蒸馏的一大缺陷。采用单塔蒸馏时,回流液流入塔的上部浓缩段,上述现象要比罐式蒸馏改善得多,但仍不能提高乳酸及乳酸乙酯的提取效率。适宜的回流比与成品酒的风味质量和蒸馏效率都有关系。
3.高级醇等成分的蒸馏
白酒蒸馏时,初馏分(俗称酒头)中比酒精沸点高的高级醇类、乙酯类等香味成分含量甚多。了解这些成分在酒精水溶液中的挥发性能,对于理解这一现象是必要的。
酒精的挥发系数和其共存的香味成分的挥发系数是不同的。所谓挥发系数就是在达到平衡时,蒸汽中酒精含量Ya(或香味成分Yn)与液体中酒精含量Xa(或香味成分含量Xn)之间的比例。
酒精的挥发系数:Ka=Ya∶Xa
香味成分的挥发系数:Kn=Yn∶Xn
挥发系数说明了在一次蒸馏(罐式蒸馏)时,酒精或香味成分的浓缩率,因而也称为浓缩系数。表4-24所列浓缩系数的数值随沸腾的液体中酒精含量的增加而不断降低。各种香味成分又有其不同的挥发系数,同时随着沸腾液体中酒精含量的变化而变化。在酒精浓度低时,它们的挥发系数都大于1,也就是说它们在蒸汽中的含量比沸腾混合物的含量为多。
表4-24 酒精及其香味成分的挥发系数
引用比挥发度,可更为明显地表明香味成分的动态。比挥发度K′,就是香味成分的挥发系数与酒精挥发系数之比。
当K′>1,则蒸汽中的香味成分便增多。因为在该情况下,香味成分比酒精更易挥发。
当K′=1,则蒸汽中的香味成分既不增多也不减少。
当K′<1,则香气成分在液体中积聚,蒸汽中香气成分的含量比液体中的含量为少。因为它们比酒精更难挥发。
某些高级醇成分的水溶液浓度和挥发性的关系见表4-25,这些成分在稀浓度时比酒精容易挥发。在含高级醇0.05%及酯类0.04%这样稀浓度的日本米制烧酒发酵醪中,其高级醇和酒精相比,蒸汽中高级醇更易挥发。比酒精沸点高的酯类,在蒸馏时和高级醇具同一动向。因此,这些香味成分在初馏液中含量较多。
表4-25 不同加水量时高级醇对酒精的比挥发度
表4-26列出了白酒发酵醪液中的主要挥发性成分及其沸点。
表4-26 白酒发酵醪液中的主要挥发性成分
4.水不溶性高沸点成分的蒸馏
白酒发酵醪蒸馏时,后馏分中有β-苯乙醇、糠醛等高沸点成分,初馏分中有棕榈酸乙酯、油酸乙酯及亚油酸乙酯等高沸点成分被蒸出。这些高沸点香味成分和水为不互溶液体。不互溶液体混合物在蒸馏时与互溶液体混合物所表现的情形不同,不互溶液体互相间的影响很小。
由于上述理由,与水难溶的高沸点成分的沸点下降了。当发酵醪在直接或间接蒸汽加热的蒸馏情况下,它们能在比较低的温度下被蒸入酒中。在蒸馏罐间歇蒸馏时,蒸馏液的各成分变化如图4-11所示。
图4-11 蒸馏液的成分变化
5.不同蒸汽进入形式对蒸馏的影响
罐式蒸馏设备简单,加工方便.在蒸馏过程中可以截头去尾,及将部分香味成分蒸入酒中。但蒸馏效率低,蒸汽耗量大,某些香味成分损失较大。加热蒸汽吹入的不同形式,对蒸汽耗量、蒸馏时间、蒸馏出的酒精比率等都有影响。图4-12为A、B、C三种形式的示意图。A的加热管沿蒸馏罐的边伸入,醪液能均匀地沸腾,不产生死角。B为环状加热管,要注意管上的蒸汽孔开的方向,避免产生死角。孔的位置斜向下45°角,孔的大小从蒸汽入口由小到大,否则到管的末端醪液沸腾就很差。C的斜线部分容易产生对流传热的死角。
图4-12 蒸汽吹入的各种形式
八、固态法与液态法蒸馏的差异
液态壶式蒸馏是传统的白兰地、威士忌蒸馏方法,一直沿用至今。甑桶固态蒸馏则是传统的白酒蒸馏方法之一。两种都是间歇式简单蒸馏,但是效果却完全不同,表现在酒精的浓缩效率及香气成分的提取率上差异较大。
固态发酵酒醅的颗粒形成了接触很大的填充塔,因此能够使仅含酒精5%左右的酒醅,经装甑于低矮的甑桶中,一次蒸得酒精含量65%~70%vol的白酒。但在壶式蒸馏器中,用酒精含量为10%的醪液,液态蒸馏须经3次才能达到70%vol的浓度。酒精的浓缩效率甑桶比壶式更优,见表4-27。
表4-27 壶式蒸馏前后液体中的酒精含量变化
4种不同酒常规测定见表4-28。
表4-28 4种不同酒常规测定 单位:g/100mL
将薯干原料用黑曲为糖化剂,R12为酵母发酵剂,分别进行固态发酵5d和液态发酵4d的生产试验。固态酒醅装甑蒸馏得含酒精59.4%的馏液,为固态发酵的固态蒸馏法白酒;将液态发酵醪拌入一定量的稻壳(洗涤后清蒸晒干),再装甑蒸馏得40%酒精含量的馏液,为液态发酵的固态蒸馏法白酒。另将固体发酵酒醅加一定量的水,装入间歇式蒸馏塔中蒸馏,接取51.5%酒精含量的馏液,为固态发酵的液态蒸馏法白酒。液体发酵醪在泡罩式粗馏塔中蒸馏的馏出液含酒精51.5%,为液态发酵的液态蒸馏法白酒。对上述4种酒分别进行常规的分析、色谱分析及品尝,结果见表4-29、表4-30。
表4-29 醅、醪不同蒸馏方式馏液品尝结果
表4-30 不同发酵液蒸馏方式气相色谱测定 单位:mg/100mL
由表4-30异戊醇、异丁醇色谱分析结果可见,固态蒸馏法比液态蒸馏法酸、酯的提取率要高,其中尤以乙酸、乙酸乙酯及乳酸乙酯高,乳酸也是。异丁醇、正丙醇基本上差不多,结果使得酯醇比发生了变化。
对于罐式蒸馏的液态发酵白酒,过去有六低两高之说。即乙酸、乳酸低,乙酸乙酯、乳酸乙酯低,乙醛、乙缩醛低,异丁醇、异戊醇高。成品酒中这些成分含量的不同,主要是由于发酵方式不同所形成的,但液体发酵酸低酯低的现象与蒸馏方式有密切关系。而高级醇主要是发酵方式不同所致,与蒸馏关系较小。乙醛和乙缩醛也可能是发酵因素为主。