中试规模壶式二次蒸馏对白酒中氨基甲酸乙酯和氰化物以及原酒品质影响

白酒是我国传统蒸馏酒,随着消费观念的转变,消费者与生产者对白酒生产过程中产生的有毒有害物,如氨基甲酸乙酯(ethyl carbamate,EC)、真菌毒素、生物胺和塑化剂等日益关注[1-2]。EC是一种天然存在于发酵食品和酒精饮料中的2A类致癌物[1,3]。氰化物是蒸馏酒中EC的重要前体[4],本身也是一种剧毒化学物[5]。目前我国还没有建立酒精饮料中EC控制标准,同国际上大多数国家蒸馏酒中EC限量标准(150 μg/L)相比,我国一些白酒中的EC含量高于限量标准[6]。

为减少酒精饮料中EC及其前体氰化物含量,国际上开发了很多方法,如加入吸氧剂、添加酶分解氰化物、蒸馏过程中使用铜催化剂、低温和高回流比蒸馏等[3]。多项研究表明,二次蒸馏可以显著降低蒸馏酒中EC含量[7-9]。在甘蔗朗姆酒中,二次蒸馏使EC的含量降低了97%[7]。

本研究团队曾在实验室规模下研究过不同二次蒸馏方式对白酒中安全性指标和品质的影响[10-11],发现壶式二次蒸馏能去除92.76%的EC,同时能去除原酒异嗅。本研究在其基础上扩大壶式蒸馏规模,在酒厂中试生产规模下研究壶式二次蒸馏对白酒中的氰化物、EC、总酸、总酯、微量成分和感官品质的影响。这将为白酒生产过程中EC 消减以及白酒品质的提升提供重要指导。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

浓香型原酒由安徽金种子酒业股份有限公司提供,2021年生产,酒精度62.2%vol。

氨基甲酸乙酯(纯度>99%)、氨基甲酸乙酯-d5(EC-d5,99%),上海安谱实验科技股份有限公司；KCN标准溶液(1 000 mg/L),北京谱析科技有限公司；各标准品及内标物、巴比妥酸(99%),Sigma-Aldrich；异烟酸、NaOH、KH2PO4、氯胺T、NaCl、乙酸乙酯(HPLC级)、无水乙醇(HPLC级)、无水乙醚、酚酞、硫酸,国药集团化学试剂有限公司。其余试剂均为分析纯。

XLD-300 L夏朗德壶式蒸馏器(加热面积0.6 m2；冷却面积1.8 m2；冷却水耗量0.15 T/h；蒸汽耗量15 kg/h；出酒量7～10 L/h),烟台帝伯仕自酿机有限公司；7890 N GC-5975 MS气相色谱-质谱联用仪,美国Agilent公司；UV-2802紫外可见分光光度计,尤尼柯(上海)仪器有限公司；DK-S24电热恒温水浴锅,上海森信实验仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 中试规模壶式二次蒸馏方式

壶式二次蒸馏方式参照文献[11],用水将白酒原酒稀释到酒精度28%vol,取150 L稀释后的低度白酒装入300 L壶式蒸馏器中,打开电源加热,用自来水冷凝。初始低度酒体积的1.5%作为酒头,在酒头之后直到冷凝器出口的馏分呈60%vol酒精度作为酒身,酒身之后直到冷凝器出口的馏分呈0%vol酒精度作为酒尾,蒸馏器中剩余液体为残液。

1.2.2 异烟酸-巴比妥酸法测定白酒氰化物

采用异烟酸-巴比妥酸法测定氰化物含量,具体方法参照文献[12]中的分光光度法。

1.2.3 液-液萃取结合GC-MS测定白酒EC

参照文献[13],准确吸取2.0 mL酒精度60%vol酒样于5 mL离心管中,加入25 μL 10 μg/mL的氨基甲酸乙酯内标(EC-d5),加入0.5 g NaCl,涡旋振荡溶解后加入2.0 mL乙酸乙酯,振荡提取5 min,静置分层后,吸取上层清液经过滤后进行GC-MS分析。

标准曲线：以60%vol酒精水溶液配制一定浓度梯度的EC标准溶液,和酒样进行相同的处理。以EC和EC-d5的峰面积比为横坐标,质量浓度之比为纵坐标建立标准曲线。

GC条件：色谱柱为Agilent HP-INNOWAX石英毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；进样口温度250 ℃；载气为氦气,纯度≥99.99%；流速1 mL/min；进样量1 μL；不分流进样；升温程序为50 ℃保持1 min,以8 ℃/min升至200 ℃。

MS条件：EI电离源,电子能量70 eV,离子源温度230 ℃；扫描范围35～350 amu；溶剂延迟时间10 min。采用选择离子监测(selected ion monitoring,SIM)模式。特征离子m/z 62、64分别用于EC和EC-d5定量。

1.2.4 总酸、总酯测定

白酒中总酸、总酯测定参照GB/T 10345—2007《白酒分析方法》。

1.2.5 液液微萃取结合GC-MS法测定白酒挥发性脂肪酸

酒样的前处理具体步骤及标准曲线的制作参照文献[10]。

GC条件：色谱柱为Agilent HP-INNOWAX石英毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；进样口温度250 ℃；载气为氦气,纯度≥99.99%；流速1 mL/min；进样量1 μL；不分流进样；升温程序为50 ℃保持2 min,再以4 ℃/min升至230 ℃保持15 min。

MS条件：EI电离源,电子能量70 eV,离子源温度230 ℃；扫描范围35～350 amu；溶剂延迟时间10 min。

1.2.6 气相色谱-氢火焰离子化(gas chromatography-flame ionization detector,GC-FID)法测定白酒酯类物质

白酒中的酯类物质(己酸乙酯、乳酸乙酯、丁酸乙酯和乙酸乙酯)测定参照GB/T 10345—2007《白酒分析方法》。

1.2.7 二次蒸馏前后酒样品评分析

二次蒸馏前后酒样由安徽金种子酒业股份有限公司6名具有多年品酒经验的专业人员(年龄范围在40～50岁)以密码编号方式进行感官品评,并进行描述性分析。

2 结果与讨论

2.1 中试规模壶式二次蒸馏效率

蒸馏后各馏分中酒精质量之和与所用原酒中酒精质量之比为蒸馏效率,中试规模壶式二次蒸馏的蒸馏效率达99.32%(表1),优于实验室规模蒸馏效率99.21%[10]。

表1 中试规模壶式二次蒸馏效率

Table 1 The distillation efficiency of ethanol in pilot scale pot still second distillation

2.2 中试规模壶式二次蒸馏对白酒氰化物影响

氰化物去除率分为绝对去除率R1和相对去除率R2两种,R1即蒸馏后的酒身中相对于原酒中氰化物含量的下降百分比,R2即蒸馏后的酒身中相对于蒸馏后所有馏分中总氰化物含量的下降百分比,计算公式参照文献[11]。

浓香型原酒中氰化物浓度为369.06 μg/L,二次蒸馏后酒身中氰化物浓度下降至23.75 μg/L,R1为96.10%,R2为78.43%(表2)。蒸馏后原酒中氰化物浓度下降了81.92%,推测二次蒸馏过程中,部分氰化物转化成EC以及在蒸馏过程中挥发损失。

表2 中试规模壶式二次蒸馏对白酒氰化物影响

Table 2 Influence of pilot scale pot still second distillation on cyanide in Baijiu

注：中试规模蒸馏所用原酒体积67.5 L；mc-蒸馏后酒头、酒身、酒尾及残液中氰化物(EC)质量之和；m0-原酒中氰化物(EC)质量(下同)

2.3 中试规模壶式二次蒸馏对白酒EC影响

EC去除率分为绝对去除率R′1和相对去除率R′2两种,计算公式参照文献[11]。

浓香型原酒中EC浓度为168.85 μg/L,二次蒸馏后酒身中EC浓度下降至8.08 μg/L,R′1为97.10%,R′2为98.47%(表3)。R′1和R′2均优于实验室研究结果[11]。在二次蒸馏过程中EC增加了89.15%,推测在蒸馏过程中,氰化物会在高温、铁和/或铜的催化下转化成EC[9,14],造成蒸馏后的馏分中总EC含量增加。二次蒸馏后酒身中EC含量较低,大部分EC集中在酒头、酒尾和残液中,其中残液的EC含量最高。

表3 中试规模壶式二次蒸馏对白酒EC影响

Table 3 Influence of pilot scale pot still second distillation on EC in Baijiu

2.4 中试规模壶式二次蒸馏前后白酒总酸和总酯变化

原酒中总酸、总酯浓度分别为0.82、3.12 g/L,蒸馏后酒身中总酸和总酯浓度均降低,总酸浓度下降幅度较大,为93.90%,总酯浓度下降了19.87%(表4)。总酸、总酯下降的比例高于之前的研究[10],但趋势基本一致。

表4 中试规模壶式二次蒸馏前后白酒总酸和总酯变化

Table 4 Changes of total acid and esters in Baijiu before and after pilot scale pot still second distillation

2.5 中试规模壶式二次蒸馏前后白酒挥发性脂肪酸变化

二次蒸馏后,酒身中大部分挥发性脂肪酸显著降低(表5),下降范围为29.86%～100%,这与总酸测定结果趋势相吻合。其中丁酸、戊酸、庚酸、辛酸在二次蒸馏后的酒身中均未检测到,乙酸、己酸在二次蒸馏后分别下降了84.03%和88.25%。

表5 中试规模壶式二次蒸馏前后白酒挥发性脂肪酸变化

Table 5 Changes of volatile fatty acids in Baijiu before and after pilot scale pot still second distillation

注：-表示未检测到

2.6 中试规模壶式二次蒸馏前后白酒酯类物质变化

己酸乙酯、乳酸乙酯、丁酸乙酯和乙酸乙酯是我国浓香型白酒中的主要香气成分[15]。二次蒸馏后,酒身中乳酸乙酯含量显著下降,下降了71.05%,而己酸乙酯、丁酸乙酯和乙酸乙酯含量略有上升,分别上升了15.69%,7.14%和9.40%(表6)。该浓香型原酒中乳酸乙酯/己酸乙酯比值(乳己比)为2.98,蒸馏后的酒身中乳己比下降为0.75。乳酸乙酯含量过高会影响白酒品质,导致口感不爽、放香不足和后味涩杂等问题[16]。壶式二次蒸馏某种程度上起到了增己降乳、提高品质的效果。

表6 中试规模壶式二次蒸馏前后白酒酯类物质变化

Table 6 Changes of esters in Baijiu before and after pilot scale pot still second distillation

2.7 中试规模壶式二次蒸馏对白酒感官品质影响

二次蒸馏前酒样香味较浓厚,酒体较丰满,壶式二次蒸馏后的酒身其香味及酒体丰满度略逊于未蒸馏前原酒,但显示出低酸度和更宜人的味道和芳香,酒的口感更纯净,在一定程度上减少了该原酒具有的异杂味。

3 结论

本文研究了中试规模壶式二次蒸馏对白酒中氰化物、EC、总酸、总酯、微量成分和感官品质的影响。结果表明,中试规模壶式二次蒸馏的蒸馏效率可以达到99.32%；氰化物绝对去除率R1和相对去除率R2分别为96.10% 和78.43%；EC绝对去除率R′1和相对去除率R′2分别为97.10%和98.47%；蒸馏后酒身中氰化物和 EC 浓度分别下降至23.75 μg/L和8.08 μg/L；总酸和总酯浓度均下降,分别下降93.90%和19.87%；大部分挥发性脂肪酸含量显著降低；乳酸乙酯含量显著下降,下降了71.05%,而己酸乙酯、丁酸乙酯和乙酸乙酯含量分别上升了15.69%,7.14%和9.40%；经感官品评结果表明,蒸馏后的酒身香气和酒体丰满度较蒸馏前原酒稍差,但显示出低酸度和更宜人的味道和芳香,口感更纯净。中试规模的各项指标与实验室结果类似,部分指标优于实验室结果,将为酒厂大规模生产中应用二次蒸馏技术消减氰化物、EC,以及降低异杂味提供重要实践指导作用。