纯粮固态白酒中含共轭π键极性化合物在碱性加热条件下变色的研究

刊物期号： 201208 纯粮固态白酒中含共轭键极性化合物在碱性加热条件下变色的研究（一）作者： 张志刚，向双全地址：甘肃金徽酒业集团公司，甘肃陇南 邮编：742308 摘要： 对纯粮固态白酒在碱性加热条件下显色的试验进行了深入的研究，发现引起固态白酒在碱性加热条件下变色的主要成分为双乙酰、醋酉翁、糠醛、2,3-戊二酮等。这些物质大部分都具有羰基（C=0）或共轭键等，在碱性加热条件下能通过分子内电子的转移、重排形成交叉共轭体系，使键延长，呈现更明显的颜色。白酒中的杂环类化合物，如呋喃类、吡喃类能形成多电子共轭体系多芳杂环，而在碱性加热条件下显色。 关键词：固态发酵；碱性加热；交叉共轭体系 中图分类号： TS262.3；TS261.4；TS261.7 文献标识码： A 文章编号： 10019286（2012）08007705 英文标题： Research on Color Change of Liquor Containing Conjugate Bond Polar Compounds in Conditions of Alkaline Heating (I)英文作者： ZHANG Zhigang and XIANG Shuangquan英文地址： Jinhui Liquor Industry Group Co.Ltd., Longnan, Gansu 742308, China英文摘要： The color change experiments of liquor produced by pure grains through solid fermentation in conditions of alkaline heating were carried out. It was found that color change of liquor mainly induced by the compounds including diacetyl, acetoin, furfural, and 2,3-diketone etc. Most of these compounds contained carbonyl (C=0) or conjugate bond, in conditions of alkaline heating, intramolecular electron transfer and rearrangement of these compounds would form cross conjugated system and further prolong bond and display evident color eventually. Besides, heterocyclic compounds in liquor such as furan and pyran would form multiple electron conjugated system for multi aromatic heterocycles which displayed evident color in conditions of alkaline heating. (Tran. by YUE Yang) 英文关键词：solid fermentation; alkaline heating; cross conjugated system 张志刚 向双全 （甘肃金徽酒业集团公司 陇南 742308）摘要：本文对纯粮固态白酒在碱性加热条件下显色的试验进行了深入的研究，发现了引起固态白酒在碱性加热条件下变色的主要成分，即双乙酰、醋翁、糠醛、2,3-戊二酮等。它们大部分都具有羰基（C=0）或共轭键等特点，且在碱性加热条件下能通过分子内电子的转移、重排形成交叉共轭体系，使键延长，因而呈现更明显的颜色，就是我们观察到的黄色或者棕黄色甚至棕褐色。特别要提到的是白酒中的杂环类化合物，如呋喃类、吡喃类由于它们氧杂原子的未共用电子对参与了共轭体系（6 个电子分布在由 5 个原子组成的分子轨道中） ，使环上碳原子的电子云密度增加，极性增强，形成多电子共轭体系多芳杂环，在碱性加热条件下较小浓度就能显色。关键词：固态发酵；碱性加热；紫外可见光谱；交叉共轭体系；杂环化合物；双乙酰；醋翁；糠醛；吡嗪纯粮固态发酵法是中国积累千年的传统白酒工艺，在世界六大蒸馏酒中享有独一无二地位（唯一采用固态发酵法的酒种）。中国传统固态白酒生产主要特征：开放式生产，多菌种作用，双边固态发酵，固态蒸馏。中国传统白酒采用独特的原料，开放式生产、固态糖化发酵、自然微生物接种制曲、甑桶蒸馏、陶坛或酒海贮存陈酿等一系列独特的工艺和设备酿造而成，因而具有鲜明的风味特征。中国白酒香型种类繁多，酱香型白酒发酵窖池是条石砌壁、黄泥作底，有利于酱香和窖底香物质的形成；浓香型白酒是泥窖发酵，利于己酸菌等窖泥功能菌的栖息和繁衍，对“窖香”形成十分关键；清香型白酒采用地缸发酵，对减少杂菌感染，利于“一清到底”。开放式生产，多菌种作用：传统的固态法白酒生产，主要是手工操作，生产的主要环节除原辅料蒸煮过程外，其他过程都是开放式的操作，环境中各种微生物通过空气、水、工具、场地等渠道进入酒醅，与酒曲中的微生物一同参与发酵，产生丰富的芳香成分。中国白酒传统使用的糖化发酵剂是大曲和小曲，均采用自然接种培养，尽管使用的原料不尽相同，但都是网罗空气、工具、场地、水中的微生物在不同的培养基上富集，盛衰交替，优胜劣汰，最终保留着特有的微生物群体，为淀粉质原料的糖化发酵和香味成分的形成，起着十分关键的作用。固态发酵：采用配糟、双边发酵，中国白酒生产大多采用配糟来调节酒醅淀粉浓度、酸度，浓香型白酒使用“万年糟”，更有利于芳香物质的积聚和形成。传统白酒酿造，采用低温糖化发酵，而且糖化与发酵同时进行（即双边发酵），有利于多种微生物共酵和酶的共同作用，使微量成分更加丰富。固态蒸馏：我国传统白酒独有的固态发酵、固态蒸馏，采用了独创的甑桶蒸馏设备。在蒸馏过程中，甑桶内的物料发生着一系列极其复杂的物理化学变化，酒醅、水蒸汽进行激烈的热交换，对酒醅中的酒及其香味成分起到蒸发、浓缩、分离的作用。固态发酵酒醅中成分相当复杂，除含水和酒精外，有机酸、酯、醇、醛、酮等芳香成分众多，沸点相差悬殊。通过独特的甑桶蒸馏，使酒精成分得到浓缩，并馏出微量芳香组分，使酒具有独特的香和味。因此就产出了以乙醇为主体，数以万计微量呈香呈味组分为辅的传统白酒。其中很多微量组分对人体健康是有益的，如四甲基吡嗪、4-乙基愈创木酚等12对清除体内自由基、缓解疲劳、抗菌、消炎、提高免疫是有一定帮助的。基于饮用传统固态白酒在闻香、口感、风格乃至精神上给人以高品质的享受，是新工艺白酒不能达到的高度，但普通消费者又难以凭感官区分于新工艺白酒。因此我们的很多科研工作者就下了很大的力气在怎样通过理化检测判定纯粮固态白酒上面。如王东新采用碱性条件下加热使固态白酒显色区分于新工艺白酒3；张荣欣分析了不同酒度下固态白酒的变色4；项蓓运用气相色谱法鉴别真假国家名优白酒5；张薇君利用原子吸收分光光度计鉴别伪白酒的方法研究6；李杰研究了蒸馏酒与配制酒的简易鉴别法的探讨7；汤道文关于固态发酵白酒在碱性条件下变色的研究探讨8；由此可见人们对鉴别是否为纯粮固态白酒的重视程度是相当高的。本文基于王东新采用碱性条件下加热使固态白酒显色区分于新工艺白酒3的方法进行了升入的研究，发现引起固态白酒变色的主要物质是双乙酰、醋翁、2,3-戊二酮、糠醛等。它们都具有大键，且在碱性加热条件下能通过分子内电子转移、重排形成交叉共轭体系，使键延长，因而呈现更明显的颜色910。同时参阅了大量关于紫外可见光谱分析羰基化合物、酮类有机物、药品分析或者白酒中有机物引起变色的实验。如宋远志的导数光谱法分析白酒中糠醛11；许汉英的紫外光度法直接测定白酒中糠醛及其对配制酒的鉴别12；许龙福的蒸汽蒸馏紫外光度法测定酒中糠醛的改进13；贾廷见的糠醛分子的拉曼光谱与红外光谱研究 14；王建刚的反相高效液相色谱法测定白酒中糠醛15；孔鲁裔的紫外分光光度计法测定啤酒中的双乙酰16；陈淑珠的荧光法测定酒类中的双乙酰17 等；特别值得注意的是黄酮类物质在测定时也大量采用碱性条件显色方法，在500nm附近或者360nm附近处进行定量分析18,黄酮醇类在碱性条件下先呈黄色，通入空气后变成棕色，可以和其他类加以区别。这些都足以说明这些年来科研工作者对固态白酒鉴别的紫外可见光光谱分析一直在进行着。 作者分析比较了不同香型，不同区域，不同批次，不同窖池、不同层次，不同储存间段，不同馏段的固态白酒在碱性条件下的显色实验，以及部分主要单体的显色实验，进一步证明了使固态白酒变色的主要呈香呈味组分。1. 材料与方法1.1仪器与样品TU1810紫外可见光分光光度计；恒温水浴锅；石英比色皿等。 金徽基酒：酒头，前段，中段，尾段，酒尾，以及各层次基础酒。 成品酒：46%金徽十八年陈酿；52%五粮液；53%茅台；20年汾酒。 单体物质：糠醛，双乙酰，醋翁，四甲基吡嗪，乙缩醛等色谱纯。1.2方法与原理试验方法：准确移取3.0mL（或1.5mL）待测酒样或单体乙醇溶液于50mL具塞比色管中，加入0.45mL1mol/L（或0.225 mL1mol/L）氢氧化钠溶液，在70恒温水浴中加热4小时。加热完毕后冷却至室温，用乙醇碱液定容至50mL，在600nm-200nm间做全波长扫描。2. 结果与分析2.1全波长扫描比较（600nm-200nm）2.1.1茅台，五粮液，金徽18年陈酿酒，汾酒碱性加热处理后的全扫描见图一。从图一可以看出在相同的条件下，酱香型茅台酒的吸光度高于浓香型的五粮液和浓香型金徽18年陈酿酒，同时浓香型的吸光度又高于清香型汾酒20年陈酿。这些都可以从酱、浓、清三种不同的生产工艺加以解释，酱香型白酒属于高温大曲酒，高温制曲（65以上）、高温润料（90以上），高温堆积（50以上），这些都有利于杂环类化合物和双乙酰、醋翁等含共轭键化合物的产生，特别是呋喃类、吡喃类、吡嗪类化合物的生成；清香型酒因发酵周期短，制曲温度低，产生显色物质总量相对较低。从这些化合物的总量19来比较，也是酱香浓香清香，这也与我们图一的光谱扫描结果相吻合。茅台20年汾酒金徽18年酒五粮液图一 茅台，五粮液，金徽18年陈酿酒，汾酒的全扫描2.2.2 60%vol的糠醛与53%vol茅台,52%vol%vol五粮液，46%vol金徽18年陈酿在碱性加热条件下的全波长扫描比较图，见图二。金徽18年五粮液茅台糠醛 图二 糠醛与茅台,五粮液，金徽18年酒的比较图。糠醛乙醇溶液的浓度为8.2mg/100ml,其在碱性加热条件下变为黄色，且显色灵敏度非常高，无需加热即可部分显色，光谱吸收曲线与固态白酒相似度较高。高温工艺的茅台酒显色最浓，吸光度整体高于中高温工艺的浓香型白酒五粮液与金徽18年陈酿酒。2.2.3本文选择了在碱性加热条件下显色程度与显色灵敏度不同的三种具有代表性的单体加以说明，糠醛的显色灵敏度最高，2,3-丁二酮次之，四甲基吡嗪最小见图三。四甲基吡嗪2,3-丁二酮糠醛图三 单体物质的全波长扫描光谱比较从图三可以看出能在碱性加热条件下产生光谱吸收的固态白酒微量成分均为富电子共轭键物质，且极性越强显色灵敏度越高。这些众多的单体类物质的光谱吸收总和就构成了固态白酒的光谱吸收图。这其中也包括了不显色但是有很高灵敏度与吸光度的吡嗪类化合物，如四甲基吡嗪，它不显色，但是吸光度很好，这类物质对固态白酒的光谱吸收影响很大。本文将部分显色物质列表如下，见表一。表一 固态白酒中部分变色单体物质序号产生光谱吸收的物质碱性加热条件下颜的色1乙醛淡黄色2乙缩醛黄色32-戊酮粉红色42,3-丁二酮黄色52,3-戊二酮黄色6醋翁黄褐色7糠醛黄褐色85-甲基糠醛黄褐色9糠醇黄色102-乙酰基呋喃黄褐色11呋喃黄褐色12乙酸糠酯黄色2.2.4 往金徽18年陈酿酒当中添加不同量糠醛的全波长扫描比较，见图四。金徽18年酒添加0.342mg糠醛后金徽18年酒添加1.026mg糠醛后金徽18年酒金徽18年酒添加0.684mg糠醛后图四 金徽18年陈酿添加糠醛前后的谱图比较从图四可以看出往浓香型白酒中添加糠醛后对其光谱吸收曲线有较大的改变，整体吸收值抬高，通过回归拟合试验，又不呈线性关系，进一步说明了固态白酒在碱性加热条件下变色是白酒中复杂的富电子键共轭物质产生键变形、延长的结果。2.2.5同一甑不同馏段的金徽基酒显色试验后全波长扫描比较，见图五。酒头前段中段后段前段酒尾图五 不同馏段的金徽基酒全波长扫描图图五中由于酒头显色灵敏度非常高，产生的吸收值也非常大，以致于按量比关系，只吸取了1ml酒头样品做该试验，其余均为4ml。从各个吸收波普可以看出，由于每段馏分所含显色物质的种类、含量不同，其产生的光谱吸收完全不同。酒头、前段的醇溶性显色物质含量较高；中段的醇溶性显色物质的量相对头段、前段较小得多，所以波普吸收相似，但吸光度整体较小；从后段开始，随着馏分酒精度的降低，水溶性的显色物质逐渐开始增加，特别是酒尾中的水溶性的显色物质含量达到极限。本文以264.2nm为测定吸光度，得到各馏分的吸光度曲线关系见图六（酒头的吸光度按4ml量折算）。图六 各段馏分吸光度曲线图2.2.6 金徽酒业同一窖池内不同层次糟醅基础就的显色比较：中层酒糟上层干糟下层湿糟底窖糟醅图七 同一窖池不同层次糟醅的基础酒显色全波长扫描图从上图可以看出，底窖糟产的基础酒显色后的吸光度整体明显高于其它层次的基础酒；下层两甑湿糟的基础酒显色后吸光度整体稍小于底窖糟醅基础酒，但有明显高于其上的其它五个粮糟基础酒；中层糟的基础酒显色明显低于下层湿糟，又略高于上层干糟的试验结果；上层干糟的显色结果最小。结合各层次基础酒的浓香程度比较，底窖糟基础酒最优，湿糟稍次，中上层酒糟基础酒再次，与本试验结果顺序吻合，同样在264nm处明显吸收。验证了生产工艺中“分层起糟，分层蒸馏”的重要性。2.2.7 不同级别基础酒的显色试验全波长扫描图比较： 金徽三级基酒金徽二级基酒金徽一级基酒图八 一、二、三级基础酒显色试验比较从图七可以看出，一级基础酒的显色物质含量远高于二、三级基础酒，二级基础酒的显色物质又略高于三级基础酒的显色物质，但三级酒中在330nm附近有吸收，明显区别于二级基础酒的吸收曲线，这些说明了一级基础酒醇溶性显色物质含量丰富，三级基础酒水溶性显色物质相对突出，验证了生产工艺中“量质摘酒、分级储存”的重要性。2.2.8 酒头、酒尾、调味酒显色比较：金徽酒头（试验添加量为其它的二分之一2ml）金徽酒尾金徽调味酒图九 酒头、酒尾、调味酒的显色试验比较图从上图可以看出，酒头含有的显色物质产生的吸收波普是最高的，其次是调味酒，最次是酒尾，而且酒尾的吸收波普很特别，是因为酒尾中显色的物质多数是水溶性物质所造成的。在实际勾调工作中这三种酒都有自身的特点，勾调师将利用这些特点，按照不同基础酒的特性，恰如其分地掌握各种调味酒（包括以上三类）的用量，勾调出色、香、味、格协调的美酒，起到画龙点睛的作用。2.2.9 分别以浓香型白酒的四大酯、四大酸（按浓香型白酒比例配制）；高沸点的油酸乙酯、亚油酸乙酯、棕榈酸乙酯配制成60%乙醇溶液，再按碱性加热实验处理，均不见任何显色现象。2.2.10 以各杂醇油单体（色谱纯级）为试验对象对其进行处理，结果显示在该条件下均无明显的显色现象。2.2.11 固态与液态蒸馏模式对比：利用精馏装备对浓香型固态白酒进行精馏，再分别把不同的馏分的酒样进行处理，发现显色为：前段中段后段，到最后精馏部分直至不显色。这充分说明了固态白酒糟醅在装甑蒸馏分离阶段按照既有生产工艺操作提取呈香呈味物质的重要性。也说明了固态蒸馏比液态蒸馏能更多地聚集糟醅中显色类物质，验证了中国白酒固态蒸馏“聚杂成醇”的重要性。3. 讨论3.1 高温与中高温制曲与生产工艺就决定了酱香型与浓香型白酒产杂环类等风味物质的丰富程度，也决定了其在碱性加热条件下的显色程度。在碱性加热条件下，酱香型、浓香型白酒比清香型白酒更易变色（有的酒样无需加热就可变色），且变色程度更大；清香型白酒因制曲温度低、发酵期短等因素造就了其显色类物质总体偏低，且显色物质突出部分有异与酱香、浓香。鉴于以上原因本文在样品使用量以及其它试剂的用量上作了相应的调整，也满足试验要求。从也得到谱图可以看出，酱香型、浓香型的最大吸收波长在264.2nm附近，与清香型的最大吸收波长363nm有较大差距，见图一。3.2 固态白酒在碱性加热条件下变色的主要物质是含氧杂环的呋喃类和吡喃类化合物和一些极性较强羰基化合物，如醋翁等，也包括一些环醚、内酯、环状酸酐、交酯、吡咯、噻吩、萜烯等物质（将在下一试验中研究）。含羰基的如酯类、丙酮等由于它们分子空间结构对称性强、极性小，所以也不显色。3.3特别要提到的是吡嗪类风味物质，它们虽然在该条件下不显色，但对吸光度的影响特别灵敏（见图三），是构成该条件固态白酒光谱吸收的重要组成部分，在考察整体吸收时不容疏忽。从固态白酒中部分微量组分对人体有利方面考虑，这些杂环类化合物多数具有极性，能清除人体内部分带电子自由基，对缓解疲劳起到较好的作用。3.4 弄清了固态白酒中的显色物质后，我们也就不难理解为什么同一口窖，不同层次的酒显色程度不一；同一甑不同馏段的酒也具有很大的区别；同一窖池，不同季节产的酒，因为外部环境和生产工艺的调整，特别是外界气温的变化，导致热季的酒比冬季的酒更易显色；同一窖房，不同窖池的酒，因为每天工人的操作不一，入窖条件控制的酸、水、淀，入窖温度等条件不一，每口窖池发酵情况不一样，所产生的各类微量香味成分含量也不一样，其显色程度也就不一样。这些都更能说明按照工艺操作的重要性，更能稳定生产，同时丰产、丰收。也就更能理解不同香型、不同工艺、不同区域的固态白酒显色程度不同的原因了。3.5 以后将进一步验证不同储存期基础陈酒、不同档次成品酒显色试验；国外蒸馏酒在碱性加热条件下的显色试验等等。