中科院研究员谈酒与化学:从美酒中孕育出美梦

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2018-08-21

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酒与化学化学是研究物质转化的一门科学。

自从人类制得第一滴佳酿,酒和化学便结下了不解之缘。

现代化学发源于19、20世纪之交,从其诞生之日起,随处可见酒的身影。

今年恰逢国际化学年暨居里夫人诺贝尔化学奖百年,又得剑南春集团鼎力支持茶马古道与剑南春酒文化研讨会,有幸写下片言只语,以表心中喜悦。 人类酿酒的原料多为含糖量较高的作物,如葡萄、红薯、高粱、稻米、粟等。 酒的酿制包含了很多的化学过程。 淀粉在微生物(如酒曲)的作用下,逐步水解成单糖,后者继续发酵,生成乙醇,本过程的化学本质已经非常了然。

这一过程由于需要微生物的参与,其发酵环境就变得至关重要。 总的来说,特定微生物需要成为优势菌种,并且需要保持一定的活性,因此对于环境中的氧气、水质及环境温度要求比较高。 通常可以看到的是在发酵前需要对器皿及原料进行高温处理,这一过程不仅能够促进淀粉的水解,更重要的是可以最大限度地灭菌,以减少原有菌种对发酵所需菌种的干扰;在发酵过程中通常实施隔绝空气处理,降低环境中的氧气含量,这一措施可以进一步消除杂菌种对酒曲等的影响,因为酒曲可以在无氧环境中存活,而其它微生物一般需要氧气;发酵过程往往采用各种保温措施,以保持相对适宜的温度,使酒曲的活性最大化。

尽管近现代以来才为人类所认识,但是人类在实践中早已在使用酿酒过程中的这一化学原则。 在酒的制备中,从口味来说,工业化学的方法目前还是远远达不到酿造酒的水准,这暗示着在微生物酿酒过程中,其实还有很多未知的东西值得我们去探索。 自然酿制的酒一般浓度(乙醇含量)不会太高。

这里面主要有几方面的原因:首先,酒是从糖类转化而来的,酿酒所用粮食的含糖量限制了最终生成乙醇的量;其次,酿酒用粮食吸水性很强,在前处理时会吸收大量的水(如水煮过程),这些水会始终存在,降低酒的浓度;另外,在发酵过程中,随着乙醇浓度的升高,微生物的活性会逐渐减弱(正如酒精消毒一样),从糖到乙醇的转化过程会逐渐停止,从而抑制乙醇浓度的继续上升。 为了进一步提高酒的度数,获得所谓的烈酒,通常需要一个提纯的过程。

鉴于乙醇与酒的沸点有所不同(乙醇约78C,水约为100C),通过蒸馏的方法可以实现乙醇的富集。

但是水与乙醇的相容性太好,要实现二者的完全分离是非常困难的。

在蒸馏酒的生产中,选取不同温度的馏分可以获得不同品质、口味的产品。

值得关注的是,酒的口感往往还与其他香味物质(多数是酯类)有关,而这类物质的挥发性非常好,在蒸馏过程中容易流失,不能不说是一个小小的遗憾,好在酒的陈化过程可以弥补这一损失,后面我们将谈到这个问题。

从现代化学的观点来看,采用冷却凝固的方法代替蒸馏可能是一个更好的选择。

乙醇的凝固点是零下100多度,远低于水的冰点,因此在冷却时水将凝结成冰而分离出来,而香味物质由于其较低的凝固点和良好的醇溶性可以保留在乙醇中。

在没有制冷设施的古代,蒸馏是古人的唯一选择,但是在当今时代,制冷的手段丰富,成本也还可以接受,或许冷却凝固法是一个有益的选择,也很有可能得到口感迥异的烈酒。 类比于烧酒而言,姑且将冷却凝固法做出的酒称之为冻酒吧。 酒是陈的香,这一点人们早已耳熟能详,这是什么原因呢?酒中主要物质是水和乙醇,外加一些其他小分子醛、醇及酯等。 酒中能散发独特香味的物质通常是酯,酯的含量在酒的陈化时能有所增加,故而有年份酒一说。

从化学角度来看,醇类在不完全氧化的条件下,可以逐步氧化生成醛及酸,而酸和醇进一步反应,则可以生成酯类(化学上称作酯化反应)。

酯化反应在没有催化剂的情况下通常很慢,因此酒需要存放一定的年头才能获得所需的香味。 另一方面,酯化反应是一个可逆反应,当酯的含量到一定时将达到平衡,因此继续存放已经无法在香味上有所提高。 从这个角度看,酒也不是越陈越香,到一定年限即可。 酒的陈化,需要严格控制氧化过程,正如上面谈到的,乙醇是会氧化成乙酸的。 因此,如果密封不好,陈酒或许就成醋了。 这一点上充分看出了古人的智慧。

在酒存储中,古人往往选用陶罐密封,其气密性好,可以减少罐中氧气的量,防止酒变醋。 另一方面,古人还有另一个措施,就是窖藏。

由于二氧化碳的密度远大于空气,窖底氧气浓度较低,可以提供额外保证。

酒的陈化更多的是一个化学过程,应该避免微生物参与,因此高度酒陈化起来更有优势,因为高度酒中微生物存活几率更小,酒更不容易腐败变质。

在现代科技条件下,控制氧气含量进而控制酒的陈化过程已经变得比较简单了,或许借助现代化学知识,酒的陈化过程能够加速,制作的当年就能享用到陈年老窖的美味亦非痴人说梦。 酒与人的佳话自古广为流传。

饮中八仙,武松打虎,醉打金枝等无不被演绎成美好的传说。

世人也多以酒量来定人性,期盼能有海量来承载干云的豪情,梦想能千杯不醉。

酒到了体内终究要通过生物化学过程代谢掉,这里面自然就有人与人的差别了。 酒的吸收通常是在胃里进行的,其代谢主要在肝里进行。 在乙醇脱氢酶的作用下,乙醇首先会被氧化成乙醛,继而在乙醛脱氢酶的作用下,乙醛被氧化成乙酸,最终分解为二氧化碳和水。 看来酒入愁肠成相思泪也有一定的科学道理。

如果此两种酶均存在并且有效工作,酒的代谢很快即可完成,就不会有醉酒的遗憾了。 虽然乙醇脱氢酶在大多数人体内均存在,但缺乏乙醛脱氢酶的人却比较多,因此乙醇难于很快被转化成二氧化碳和水,而是以乙醛的形式大量存在,引起呕吐、昏迷等醉酒症状。 所以,酒量其实是天生的,锻炼无法得到本质的提高。

由此可见,解酒或许能从增加乙醛脱氢酶含量方面入手,帮助普通人实现量的提升。 即使善饮之人,在饮酒过量、过快时同样也会发生醉酒症状。 酶的活性与身体状况和情绪等也是息息相关的,因而有时人的酒量也会随着身体及心情而变化。 常言道,酒逢知己千杯少,举杯浇愁愁更愁,快乐饮酒,正是我们要提倡的。

化学研究中有诸多方面与酒有关,抛开人文不说,仅从科学的角度来看,酒在化学中就具有相当的重要性。

乙醇本身是一种化学原料,可以由此制备酯类及乙醚等。

乙醇是优良的溶剂,可以承载很多化学反应过程,并且经常用来清洗仪器。

在早期化学中,乙醇还是重要的热源,作为酒精灯的主要燃料控制化学反应进程。 乙醇的诸多优良物理化学性质也必将随着人们认识的深入而获得更多的应用。 最后,作为化学研究的主体,化学工作者和普通人一样,在特定的情况下也需要酒文化来调节生活,也期待从美酒中孕育出美梦,激发出奇思妙悟,获得不同寻常的创造力。 (文章作者:中国科学院化学研究所研究员邱东)。