近日，我校化学与分子工程学院界面科学与热力学团队练成教授团队在美国化学会《工业与工程化学研究》上发表了题为“Molecular dynamics study of flavor molecules diffusion in Ethanol-Water mixtures: A key to unlocking the secrets of whisky’s flavor”的研究论文，在线报道了课题组在分子热力学与酒风味微观机制方面研究进展。

在品鉴威士忌、白酒、红酒等酒精饮料时，其复杂而多层次的风味总是令人着迷。同一瓶威士忌，有人入口只觉辛辣刺喉，有人却能品出花果香与焦糖尾韵——这仅仅是主观偏好吗，还是酒液本身就藏着“两副面孔”？答案藏在原子尺度里。长期以来，酿酒好像“盲人摸象”，师傅们靠舌头和经验调校，却始终看不清酒体内部乙醇与水分子之间那场无形的“缠绵舞蹈”。近几年，华东理工大学练成教授团队联合上海巴克斯酒业有限公司，为酿酒工业装上了一台“高清显微镜”。他们借助前沿分子热力学模型，首次从分子层面透视了酒精饮料的“全息风味图谱”，让那些曾经无法言说的“醇厚”与“刺激”，变成了可计算、可设计、可调控的精准数字。

图1基于分子动力学模拟的醇水体系风味分子释放及感官评价机制示意图

进展1  酒体的“骨架”：醇水分子如何决定口感底色

酒精饮料的灵魂，归根结底是乙醇与水之间的氢键作用。这对分子像无数双“小手”彼此牵拉，编织成一张巨大的动态网络——这就是酒体的物理骨架。骨架搭得紧实，酒体就柔和饱满；骨架松散，游离的乙醇分子便会四处冲撞，带来灼烧般的刺激感。团队针对这张看不见的网，展开了前所未有的精微解剖：

1.1  给氢键数量和寿命一个量化分数（氢键强度）

团队首次提出将“平均氢键寿命与平均氢键数的乘积”作为乙醇-水溶液平均氢键缔合强度的全新描述符。通俗而言，就是“分子牵手的紧密度 × 牵手的时间”。计算模拟发现，这个分数越高，意味着水与乙醇“抱团”越紧密，酒体就更加醇厚。

；

 ——乙醇-水溶液氢键缔合强度；

 ——通过计算软件得到系统的平均氢键数量；

 ——通过计算软件得到系统的平均氢键寿命；

1.2  为什么经典烈酒多在“40度”上下？

图2界面相模型中实验NMR数据和理论数据的氢键缔合强度对比图

模拟结果与核磁共振（NMR）实验高度吻合，发现在约38%的乙醇体积分数下，体系的氢键网络强度达到峰值，清晰指向一个峰值拐点：在乙醇体积分数约38%时，体系的氢键网络强度达到顶峰（图2）。这从科学上解释了为何全球众多经典烈酒（威士忌、白兰地）不约而同地将酒精度锚定在40% vol附近——这不是传统惯性，而是分子自发选择的“最佳稳态”。

1.3  “冰镇更顺喉”被首次量化验证

图3理论计算模拟的氢键缔合强度值和黏度值随温度变化图

直觉告诉我们冰镇能压酒气，但原因首次被量化证实：温度每降低5℃，氢键强度便显著攀升。研究证实，温度降低会显著升高氢键缔合强度，这意味着游离的乙醇分子数量快速减少，从而有效降低酒体的刺激性，提升整体的醇厚感。降温过程如同给乙醇分子套上了“枷锁”，大量游离的刺激性乙醇被拽入网络之中，使其无法轻易冲撞味蕾。这不仅是“压住酒精味”，更是物理层面对醇厚感的主动提纯——冰镇后那抹绵长的顺滑，原来是一场精密的分子减速运动。

进展2  风味分子的“剧场”：从释放时序到刺激感调控

如果说醇水骨架决定了酒体的“骨架”和“肉身”，搭好了舞台，真正上演“感官大戏”的则是各类风味分子——它们如何从酒液中逃逸、如何在水面列队，甚至如何反过来操控酒精本身的脾气，构成了风味科学的第二重密码。那么风味分子的释放时序，则谱写了酒体的“灵魂叙事”。团队沿着“分子扩散-界面站位-反馈调控”这条完整链条，首次将这一过程全部量化。

图4不同浓度乙醇体系中风味分子扩散系数的热图

2. 1  解码“前调”与“尾调”： 谁是“百米冲刺”选手？谁是“马拉松”选手？

图5 典型风味分子表面静电势分布及分子极性指数值的分析

举杯闻香，第一缕扑鼻的果香与最后一缕木质尾韵，之间相隔的几十秒，背后是分子扩散系数的巨大差异。团队研究发现，风味分子的极性决定了它的“起跑速度”。

前调“急先锋”（果香、焦糖香）：乙酸乙酯、糠醛这类低极性分子，几乎不受水分子氢键网络的“拖拽”，它们如鱼雷般快速穿越液层，率先在气液界面集结，形成举杯时鼻腔捕捉到的第一波果香冲击。

尾调“长跑者”（橡木、辛香）：丁香醛、松柏醛等橡木木质素降解产生的芳香醛扩散系数相对较低，在乙醇-水体系中释放更缓，因此橡木、木质及辛香等风味往往在后段逐渐显现，并持续更长时间。与此同时，苹果酸等极性更强的有机酸扩散速度也相对较慢，持续塑造酒体的结构感和余韵，使整体风味更加悠长、层次更加丰富。

更精妙的是，在复杂体系中，酯类物质的加入不仅增添层次，还像个“交通指挥”，有效延缓了醛类物质的挥发速度，人为制造出“前调轻快、后调沉稳”的香气交响时序。

2.2  液面下的“队列训练”：站姿决定鼻子能否闻到

分子跑得再快，到了液面如果“深潜水底”，鼻腔依然一无所获。风味分子在气液界面的空间站位，是香气可及性的最后一道关卡。

图6各类物质溶解度随浓度的变化情况（以醛类物质为例）

风味分子在气液相界面的空间排布，直接决定了香气物质能否被鼻腔敏锐捕捉。

低度酒“喷香”、高度酒“闷香”的科学解释：模拟显示，在低乙醇浓度下，绝大多数风味分子（醇、酚、醛、酯）像游泳健将一样拼命挤向液面表层，极大地提高了香气的感官可及性——这就是低度酒或刚开瓶时香气四溢的原因。而一旦酒精浓度过高，这些风味分子反而被增强的溶解力拖入液相深处，界面浓度大幅下降，导致高浓度原酒闻起来往往“深藏不露”， 导致香型特征表达受限，甚至有些沉闷。

图7  “极性-非极性双亲取向”的稳定构型法则（相关物质的表面静电势）

分子的“水上漂”绝技：分子的极性差异决定了其朝向分布，极性基团倾向于指向液层中心，非极性基团则朝向气相层。这种“极性-非极性双亲取向”的稳定构型，显著影响了香气成分的挥发动力学。由于极性差异，风味分子在界面呈现出整齐划一的“双亲站姿”——极性基团向水里扎猛子，非极性基团尾巴朝空气中探出。这种稳定的取向排列，直接决定了香气分子挣脱液面的难易程度，为调酒师从微观层面控制“放香”提供了明确的操作手册。

2.3  酒精刺激感的“油门与刹车”：风味分子反客为主的调控术

风味分子不满足于“自说自话”，它们还在暗中充当酒精挥发性的“隐形开关”——这对那些既想要复杂香气、又不想酒精冲鼻的产品设计至关重要。

图8  (a)~(e)和(f)~(j)分别为含有 KQ、XCQ 等醛酯体系中分子间相互作用力的统计结果

踩下“油门”：让刺激感更奔放。研究团队通过分子间相互作用力统计发现，糠醛、香草醛、威士忌内酯等分子，会像一个“助推器”促进乙醇分子逃离液面。这意味着当酒体带有浓郁的烘烤、焦糖或香草气息时，往往伴随着更强烈的酒精挥发蒸腾感——二者在入口前便已融为一体。

踩下“刹车”：让入口更矜持。而松柏醛、丁香醛以及丁香酸乙酯则扮演了“分子锚”的角色。它们通过强氢键作用将乙醇分子牢牢按在液相中，有效抑制了乙醇的逃逸。这为低刺激、高醇厚感的柔和型酒体设计提供了明确靶点——想降冲，找丁香醛；要爆发，调糠醛，从此不再全凭运气。

进展3  酿造工艺的“精准刀法”：过滤与吸附的分子解析

理论落地，工艺紧跟。如果说前两个工作解决了“风味是什么、怎么来”的认知问题，那么这一工作则回答了“生产线上怎么干预”的操作问题。团队将分子模拟延伸到生产线上的酒体后处理工段工厂的过滤罐和吸附塔，让经验性的“粗活”变成了有据可依的“细活”，对实际生产中的过滤与吸附工艺进行了机制层面的剖析：

3.1  氧化铝膜过滤：被“挤压”的分子团

图9团队建立了分子动力学的膜过滤模型，给工业过滤装上了“内窥镜”

开发了基于分子动力学的乙醇-水体系氧化铝膜过滤分析方法。通过模拟压力驱动下的过滤过程，清晰展示了纳米孔道限位及不同操作压力（图10）、孔径（图11）对氢键网络重构和醇水团簇演化的动态影响。

图10不同压力下体系中团簇的占比变化

压力是把“双刃剑”：增大操作压力虽然加速了过滤效率，却像大力挤压海绵，粗暴地破坏了醇水氢键团簇，可能带来口感粗糙的风险。

图11不同膜孔径下体系中团簇的占比变化

孔径是道“选择题”：计算机模拟显示，膜孔径越大，对天然醇水团簇的破坏比例越小，越能保留原酒的饱满体态。原来“过不过滤”不是核心问题，“用什么孔径过滤”才是真正的精细活。

利用分子动力学模拟建立的乙醇-水体系氧化铝膜过滤模型揭示，压力的改变会影响分子通过氧化铝膜的速率并挤压醇水体系，且孔径的增大使得大分子团簇被破坏的比例减少，对酒的口感影响更小。

3.2  活性炭：带“电”的海绵陷阱与团簇“解聚术”

活性炭在酒类生产中被广泛用于除杂和调醇，但此前没人能从分子层面说清它到底“动了什么手脚”。

图12基础无定形碳单元示意图和多孔碳结构内部孔隙和表面积示意图

多孔碳材料（活性炭）表面的官能团修饰及结构缺陷（如五元环、七元环）会改变静电势分布，从而显著增强其对风味分子的吸附能力。

计算发现，活性炭表面的五元环、七元环缺陷及含氧官能团，会改变表面的静电势分布，就像安装了不同极性的“磁铁”，能选择性捕获特定风味分子，实现精准吸附而不是“一刀切”。

图13 模拟前后分子团簇的变化

模拟前后分子团簇的变化：活性炭的存在会破坏乙醇-水混合体系原有的分子聚集结构，促使体系中的大分子团簇发生解聚，转变为更分散的构型。

更令人惊喜的是，活性炭的存在会像一个“搅局者”，强制拆散乙醇-水原有的超大分子团簇，使之转变为更分散的小构型。这种微观层面的“解聚”，直接反映在味觉上就是酒体从“扎堆的粗犷”转变为“散开的柔顺”——从此，活性炭的用量和接触时间不再是凭经验估摸的“玄学”，而是有了微观方程指导的科学参数。

总结与展望

这一系列研究，将分子热力学从象牙塔拉进了酿酒车间，打通“分子结构-工艺参数-宏观风味”的研究范式。基于此，2025年巴克斯酒业（成都）有限公司崃州蒸馏厂（上海巴克斯酒业有限公司全资子公司）对外正式上市了“分子酒”开山之作——百利得Blender、崃州等威士忌品牌，将极致的科学匠心与东方风韵完美装入瓶中，获得了较好的市场反馈。目前莱州蒸馏厂是中国规模最大的威士忌酒厂，产能和储酒量均占全国总量的80%以上。在研发能力、制桶工艺、产能、桶陈规模、营销理念等多方面处于国内领先地位。

校企联合攻关团队会进一步将分子热力学与人工智能算法深度融合研制更为优质的“分子酒”。可以预见，调酒师或许只需输入目标风味（“我要一支前调荔枝香、中调蜂蜜甜、尾调木质绵长的42度酒体”），数字引擎便能反向推演出最优的基酒配比、陈酿温度和过滤方案。

从“靠舌头”到“靠算法”，酒精饮料的精准智造时代，已近在眼前。

部分成果列表：

[1]练成, 钱豪杰, 张文豪, 周增豪, 代言, 练昕宜, 刘洪来, 一种基于 DFT 理论的醇水团簇的结构模拟方法, 授权公告日 2024-08-23, 已公开, 中国发明专利, 202410553226.8

[2]练成，赵曼曼，王庆，吴昊，赵天鹏，郑小柏，刘洪来，张玉萍，一种分析醇水体系在多孔碳材料中微观行为性质的模拟，申请公开日2026-02-03，已公开，中国发明专利，202511489559.X

[3]练成，胡英杰，赵曼曼，吴昊，赵天鹏，郑小柏， 刘洪来，张玉萍，一种基于分子动力学的乙醇-水体系下氧化铝膜过滤的分析方法，申请公开日2026-02-17，已公开，中国发明专利，202511627183.4

[4]吴昊，练成，张蕊，赵曼曼，赵天鹏，郑小柏，刘洪来，张玉萍，一种乙醇水溶液的平均氢键缔合强度的分析方法，申请公开日2026-02-10，已公开，中国发明专利，202511560265.1

[5] Qing Wang, Rui Zhang, Manman Zhao, Jida Yang, Tianpeng Zhao,Xiaobai Zheng, Yingjie Hu, Hao Wu, Cheng Lian, and Honglai Liu. Molecular dynamics study of flavor molecules diffusion in Ethanol-Water mixtures: A key to unlocking the secrets of whisky’s flavor. Industrial & Engineering Chemistry Research,2026, 65(25): 13100-13109.