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        酒與化學

        2011-11-04 08:44:02中國科學院化學研究所研究員
        科學中國人 2011年10期
        關(guān)鍵詞:酒曲陳化乙醛

        邱 東 中國科學院化學研究所研究員

        酒與化學

        邱 東 中國科學院化學研究所研究員

        邱 東,中國科學院化學研究所研究員。主要從事膠體、高分子與界面現(xiàn)象以及先進散射技術(shù)在材料多尺度結(jié)構(gòu)原位表征上應用的研究。

        化學是研究物質(zhì)轉(zhuǎn)化的一門科學。自從人類制得第一滴佳釀,酒和化學便結(jié)下了不解之緣。現(xiàn)代化學發(fā)源于19、20世紀之交,從其誕生之日起,隨處可見酒的身影。今年恰逢國際化學年暨居里夫人諾貝爾化學獎百年,又得劍南春集團鼎力支持茶馬古道與劍南春酒文化研討會,有幸寫下片言只語,以表心中喜悅。

        人類釀酒的原料多為含糖量較高的作物,如葡萄、紅薯、高粱、稻米、粟等。酒的釀制包含了很多的化學過程。淀粉在微生物(如酒曲)的作用下,逐步水解成單糖,后者繼續(xù)發(fā)酵,生成乙醇,本過程的化學本質(zhì)已經(jīng)非常了然。這一過程由于需要微生物的參與,其發(fā)酵環(huán)境就變得至關(guān)重要??偟膩碚f,特定微生物需要成為優(yōu)勢菌種,并且需要保持一定的活性,因此對于環(huán)境中的氧氣、水質(zhì)及環(huán)境溫度要求比較高。通常可以看到的是在發(fā)酵前需要對器皿及原料進行高溫處理,這一過程不僅能夠促進淀粉的水解,更重要的是可以最大限度地滅菌,以減少原有菌種對發(fā)酵所需菌種的干擾;在發(fā)酵過程中通常實施隔絕空氣處理,降低環(huán)境中的氧氣含量,這一措施可以進一步消除雜菌種對酒曲等的影響,因為酒曲可以在無氧環(huán)境中存活,而其它微生物一般需要氧氣;發(fā)酵過程往往采用各種保溫措施,以保持相對適宜的溫度,使酒曲的活性最大化。盡管近現(xiàn)代以來才為人類所認識,但是人類在實踐中早已在使用釀酒過程中的這一化學原則。在酒的制備中,從口味來說,工業(yè)化學的方法目前還是遠遠達不到釀造酒的水準,這暗示著在微生物釀酒過程中,其實還有很多未知的東西值得我們?nèi)ヌ剿鳌?/p>

        自然釀制的酒一般濃度(乙醇含量)不會太高。這里面主要有幾方面的原因:首先,酒是從糖類轉(zhuǎn)化而來的,釀酒所用糧食的含糖量限制了最終生成乙醇的量;其次,釀酒用糧食吸水性很強,在前處理時會吸收大量的水(如水煮過程),這些水會始終存在,降低酒的濃度;另外,在發(fā)酵過程中,隨著乙醇濃度的升高,微生物的活性會逐漸減弱(正如酒精消毒一樣),從糖到乙醇的轉(zhuǎn)化過程會逐漸停止,從而抑制乙醇濃度的繼續(xù)上升。為了進一步提高酒的度數(shù),獲得所謂的烈酒,通常需要一個提純的過程。鑒于乙醇與酒的沸點有所不同(乙醇約780C,水約為1000C),通過蒸餾的方法可以實現(xiàn)乙醇的富集。但是水與乙醇的相容性太好,要實現(xiàn)二者的完全分離是非常困難的。在蒸餾酒的生產(chǎn)中,選取不同溫度的餾分可以獲得不同品質(zhì)、口味的產(chǎn)品。值得關(guān)注的是,酒的口感往往還與其他香味物質(zhì)(多數(shù)是酯類)有關(guān),而這類物質(zhì)的揮發(fā)性非常好,在蒸餾過程中容易流失,不能不說是一個小小的遺憾,好在酒的陳化過程可以彌補這一損失,后面我們將談到這個問題。從現(xiàn)代化學的觀點來看,采用冷卻凝固的方法代替蒸餾可能是一個更好的選擇。乙醇的凝固點是零下100多度,遠低于水的冰點,因此在冷卻時水將凝結(jié)成冰而分離出來,而香味物質(zhì)由于其較低的凝固點和良好的醇溶性可以保留在乙醇中。在沒有制冷設施的古代,蒸餾是古人的唯一選擇,但是在當今時代,制冷的手段豐富,成本也還可以接受,或許冷卻凝固法是一個有益的選擇,也很有可能得到口感迥異的烈酒。類比于“燒酒”而言,姑且將冷卻凝固法做出的酒稱之為凍酒吧。

        左:飲中八仙

        中:武松打虎

        酒是陳的香,這一點人們早已耳熟能詳,這是什么原因呢?酒中主要物質(zhì)是水和乙醇,外加一些其他小分子醛、醇及酯等。酒中能散發(fā)獨特香味的物質(zhì)通常是酯,酯的含量在酒的陳化時能有所增加,故而有年份酒一說。從化學角度來看,醇類在不完全氧化的條件下,可以逐步氧化生成醛及酸,而酸和醇進一步反應,則可以生成酯類(化學上稱作酯化反應)。酯化反應在沒有催化劑的情況下通常很慢,因此酒需要存放一定的年頭才能獲得所需的香味。另一方面,酯化反應是一個可逆反應,當酯的含量到一定時將達到平衡,因此繼續(xù)存放已經(jīng)無法在香味上有所提高。從這個角度看,酒也不是越陳越香,到一定年限即可。酒的陳化,需要嚴格控制氧化過程,正如上面談到的,乙醇是會氧化成乙酸的。因此,如果密封不好,陳酒或許就成醋了。這一點上充分看出了古人的智慧。在酒存儲中,古人往往選用陶罐密封,其氣密性好,可以減少罐中氧氣的量,防止酒變醋。另一方面,古人還有另一個措施,就是窖藏。由于二氧化碳的密度遠大于空氣,窖底氧氣濃度較低,可以提供額外保證。酒的陳化更多的是一個化學過程,應該避免微生物參與,因此高度酒陳化起來更有優(yōu)勢,因為高度酒中微生物存活幾率更小,酒更不容易腐敗變質(zhì)。在現(xiàn)代科技條件下,控制氧氣含量進而控制酒的陳化過程已經(jīng)變得比較簡單了,或許借助現(xiàn)代化學知識,酒的陳化過程能夠加速,制作的當年就能享用到“陳年老窖”的美味亦非癡人說夢。

        酒與人的佳話自古廣為流傳。飲中八仙,武松打虎,醉打金枝等無不被演繹成美好的傳說。世人也多以酒量來定人性,期盼能有海量來承載干云的豪情,夢想能千杯不醉。酒到了體內(nèi)終究要通過生物化學過程代謝掉,這里面自然就有人與人的差別了。酒的吸收通常是在胃里進行的,其代謝主要在肝里進行。在乙醇脫氫酶的作用下,乙醇首先會被氧化成乙醛,繼而在乙醛脫氫酶的作用下,乙醛被氧化成乙酸,最終分解為二氧化碳和水??磥砭迫氤钅c成相思淚也有一定的科學道理。如果此兩種酶均存在并且有效工作,酒的代謝很快即可完成,就不會有醉酒的遺憾了。雖然乙醇脫氫酶在大多數(shù)人體內(nèi)均存在,但缺乏乙醛脫氫酶的人卻比較多,因此乙醇難于很快被轉(zhuǎn)化成二氧化碳和水,而是以乙醛的形式大量存在,引起嘔吐、昏迷等醉酒癥狀。所以,酒量其實是天生的,鍛煉無法得到本質(zhì)的提高。由此可見,解酒或許能從增加乙醛脫氫酶含量方面入手,幫助普通人實現(xiàn)量的提升。即使善飲之人,在飲酒過量、過快時同樣也會發(fā)生醉酒癥狀。酶的活性與身體狀況和情緒等也是息息相關(guān)的,因而有時人的酒量也會隨著身體及心情而變化。常言道,酒逢知己千杯少,舉杯澆愁愁更愁,快樂飲酒,正是我們要提倡的。

        化學研究中有諸多方面與酒有關(guān),拋開人文不說,僅從科學的角度來看,酒在化學中就具有相當?shù)闹匾?。乙醇本身是一種化學原料,可以由此制備酯類及乙醚等。乙醇是優(yōu)良的溶劑,可以承載很多化學反應過程,并且經(jīng)常用來清洗儀器。在早期化學中,乙醇還是重要的熱源,作為酒精燈的主要燃料控制化學反應進程。乙醇的諸多優(yōu)良物理化學性質(zhì)也必將隨著人們認識的深入而獲得更多的應用。最后,作為化學研究的主體,化學工作者和普通人一樣,在特定的情況下也需要酒文化來調(diào)節(jié)生活,也期待從美酒中孕育出美夢,激發(fā)出奇思妙悟,獲得不同尋常的創(chuàng)造力。

        (統(tǒng)稿:本刊編輯夏炎)

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