醬香型白酒發(fā)酵過程全周期跟蹤分析

醬香型白酒采用堆積和窖內(nèi)2種發(fā)酵方式進(jìn)行多輪次發(fā)酵，生產(chǎn)周期長達(dá)1年。堆積是為后續(xù)窖內(nèi)發(fā)酵提供微生物、酶類、風(fēng)味物質(zhì)及其前體等，從而賦予醬香型白酒獨(dú)特的風(fēng)味[1-2]。隨后由窖池內(nèi)部的封閉環(huán)境結(jié)合窖泥所形成的多微共酵體系將中間物質(zhì)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。已有研究表明，由溫度差異所構(gòu)成的窖內(nèi)發(fā)酵環(huán)境的差異致使窖內(nèi)不同部位的酒醅分別產(chǎn)醬香、醇甜和窖底香[3-4]。已有研究證實(shí)溫度是影響發(fā)酵過程的主要因素之一，余培斌等、陳丙友等[5-6]的研究表明，溫度是通過影響發(fā)酵過程中酒醅的理化指標(biāo)、微生物生長代謝等從而對原酒質(zhì)量產(chǎn)生重要影響的。而在白酒實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，其他香型白酒已實(shí)現(xiàn)通過溫度信息干預(yù)生產(chǎn)過程，如濃香型白酒已實(shí)現(xiàn)使用溫度信息來判斷和調(diào)節(jié)產(chǎn)、質(zhì)量的變化情況[7-9]。趙健光等[10]總結(jié)云南小曲白酒發(fā)酵過程的量化指標(biāo)并調(diào)節(jié)指標(biāo)將出酒率提高至60.3%。綜上所述，跟蹤監(jiān)測醬酒生產(chǎn)的發(fā)酵溫度對分析發(fā)酵過程從而指導(dǎo)生產(chǎn)具有一定意義。

此外，醬酒的多輪次發(fā)酵工藝致使不同輪次發(fā)酵酒醅的理化性質(zhì)不同、微生物群落也存在差異，各輪次酒也具有明顯的特征[11-14]。因此，本文以全周期多輪次發(fā)酵為聚焦點(diǎn)，通過對醬酒生產(chǎn)周期的醅溫及其他相關(guān)參數(shù)進(jìn)行全面監(jiān)測分析，在定量水平上了解發(fā)酵過程醅溫演替的變化規(guī)律，為構(gòu)建醬香型白酒優(yōu)良的發(fā)酵體系提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

酒醅樣品、原酒樣品，仁懷市某醬香酒酒廠；濃HCl、NaOH、葡萄糖、NaCl、蛋白胨、酵母膏，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；氨芐青霉素、制霉菌素，生工生物工程(上海)股份有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

島津GC-2010Plus氣相色譜儀，日本SHIMADZU公司；HSP-250生化培養(yǎng)箱，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；SIN-R200D無紙記錄儀、Pt100溫度探頭，杭州聯(lián)測自動化技術(shù)有限公司；超凈工作臺，蘇州凈化設(shè)備有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 酒醅溫度測定點(diǎn)與取樣點(diǎn)的分布

堆積內(nèi)部各測溫點(diǎn)分布如圖1-a所示；窖池內(nèi)部以窖池縱向分布于窖池壁處(B)、窖池中心(C)及兩點(diǎn)間中點(diǎn)(M)，再以窖池橫向分布于窖池上(S)、中(Z)、下(X) 3層，共9個點(diǎn)，分布如圖1-b所示。設(shè)置室溫記錄點(diǎn)1個，設(shè)置每10 min記錄1次溫度，待發(fā)酵結(jié)束后使用無紙記錄軟件讀取溫度數(shù)據(jù)。取堆腰表0 cm、堆腰內(nèi)60 cm、堆腰內(nèi)150 cm這3個位置點(diǎn)酒醅100 g為堆積檢測樣品；另取窖池內(nèi)9個位置點(diǎn)的入、出窖酒醅100 g，按照上、中、下層混合并及時進(jìn)行窖內(nèi)發(fā)酵酒醅樣品檢測。

a-堆積尺寸及測溫點(diǎn)分布；b-窖池尺寸及測溫點(diǎn)分布
圖1 堆積及窖池尺寸與測溫點(diǎn)分布
Fig.1 The size of stacking and pit and the arrangement of sampling point

1.3.2 均溫計算方法

全周期共采集33 536條堆積溫度數(shù)據(jù)，349 920條窖內(nèi)溫度數(shù)據(jù)。優(yōu)化各測溫點(diǎn)的數(shù)值，整體均溫的計算如公式(1)所示：

(1)

式中：酒醅均溫，℃；Tn，EC某一區(qū)域?qū)嶋H溫度，℃；V0，酒醅EC總體積，m2；Vi，某一區(qū)域EC體積，m2；ki，系數(shù)比。

1.3.3 酒醅理化指標(biāo)及微生物數(shù)量測定

理化指標(biāo)如水分含量、酸度、還原糖、淀粉含量測定采用白酒發(fā)酵酒醅分析方法[15]。酵母菌、細(xì)菌等微生物計數(shù)采用稀釋涂布平板法，其中酵母菌涂布于YPD培養(yǎng)基(添加100 mg/L氨芐青霉素)，30 ℃培養(yǎng)2 d進(jìn)行計數(shù)；細(xì)菌涂布于LB培養(yǎng)基(添加100 mg/L制霉菌素),37 ℃培養(yǎng)1 d進(jìn)行計數(shù)[16]。

1.3.4 原酒風(fēng)味物質(zhì)含量測定

取各輪次窖內(nèi)上、中、下層醅所得成品酒為樣品，用氣相色譜法測定揮發(fā)性風(fēng)味成分，以質(zhì)量濃度20 g/L的乙酸正丁酯溶液作為內(nèi)標(biāo)溶液，色譜柱為LZP-930，操作條件參考萬清徽的方法進(jìn)行[17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 全周期生產(chǎn)操作參數(shù)及相關(guān)分析

醬香型白酒生產(chǎn)全周期生產(chǎn)操作參數(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計如附表1(https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1802.TS.20220228.1600.010.html)所示，結(jié)合圖2表明，醬酒生產(chǎn)為二次投糧，八次加曲發(fā)酵，用曲量隨周期先增后減。一～四輪次的出酒量、淀粉/酒精轉(zhuǎn)化率明顯高于其他輪次，總體呈“中間高，兩頭低”的趨勢。

圖2 不同輪次出酒量對比
Fig.2 The comparison of the yield of liquor produced in different rounds

2.2 發(fā)酵過程酒醅理化指標(biāo)及微生物數(shù)量分布情況

2.2.1 理化指標(biāo)

酒醅理化性質(zhì)對分析發(fā)酵狀態(tài)具有重要作用[18-19]。由圖3和圖4可知，(1)堆積前后，各位置點(diǎn)理化數(shù)值變化甚微，由此可推測堆積不是微生物代謝的主要階段。(2)分析酒醅理化的周期變化可知，酒醅經(jīng)逐次發(fā)酵后水分含量均值由40.87%逐漸升高至56.95%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))；酸度均值由3 mmol NaOH/10g酒醅增長至62.3 mmol NaOH/10g酒醅，其中下、造沙時期窖內(nèi)發(fā)酵產(chǎn)酸多，升酸幅度高達(dá)21 mmol NaOH/10g酒醅；還原糖均值在0.7%～2.79%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))逐步增長，堆積前后呈增長趨勢，而窖內(nèi)發(fā)酵前后呈下降趨勢；每輪次的酒醅淀粉消耗量的平均值為3.04%，含量由36%降至11.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。(3)比較各層酒醅發(fā)現(xiàn)，下層酒醅水分含量及酸度最大；中層酒醅所含還原糖含量最高；上層酒醅淀粉平均消耗量為3.17%，中層為3.3%，下層為2.65%(中層>上層>下層)。

2.2.2 微生物數(shù)量

全周期微生物數(shù)量跟蹤對比如圖5和圖6所示，(1)堆積后酒醅微生物數(shù)量均有增加，其中酵母菌增幅較大，在1.52×107～5.87×107 CFU/g。(2)堆積后細(xì)菌值于二輪次達(dá)最大值2.04×107 CFU/g后減少；酵母菌則呈“w”型變化，于一輪次達(dá)最大值6.02×107 CFU/g后減少。(3)各輪次酒醅經(jīng)窖內(nèi)發(fā)酵所含細(xì)菌和酵母均大幅減少，其中細(xì)菌以2～3個數(shù)量級減少，酵母更是以2～5個數(shù)量級減少，因此五、六輪次中的酵母極少。(4)下沙、造沙微生物數(shù)量多，一～六輪次，發(fā)酵后微生物數(shù)量值呈“中間高，兩頭低”的趨勢，其中二輪次最高。此外各層酒醅微生物數(shù)量顯示，上層細(xì)菌少至4.51×105 CFU/g，而酵母多達(dá)7.48×104 CFU/g；中層次之；下層細(xì)菌多達(dá)1.30×106 CFU/g，酵母少至2.22×104 CFU/g。

a-水分含量；b-酸度；c-還原糖含量；d-淀粉含量
圖3 不同輪次堆積發(fā)酵酒醅理化指標(biāo)的空間對比
Fig.3 The comparison of the space among the physicochemical indexes of the stacked fermentation grain in different rounds

a-水分含量；b-酸度；c-還原糖含量；d-淀粉含量
圖4 不同輪次窖內(nèi)發(fā)酵酒醅理化指標(biāo)的空間對比
Fig.4 The comparison of the space among the physicochemical indexes of the pit fermentation grain in different rounds

a-細(xì)菌數(shù)量；b-酵母菌數(shù)量
圖5 不同輪次堆積發(fā)酵酒醅微生物數(shù)量的對比
Fig.5 The comparison of the number of microorganisms of the stacked fermentation grain in different rounds

2.3 發(fā)酵過程酒醅溫度分布動態(tài)分析

2.3.1 發(fā)酵過程平均溫度變化動態(tài)分析

酒醅溫度是反映發(fā)酵狀態(tài)最直觀的方式之一，如圖7所示，全年室溫均值為20.68 ℃，波動范圍為7.1～33.9 ℃；堆積均溫在22.04～44.24 ℃，窖池均溫在23.37～41.64 ℃，均隨室溫波動呈先降后升的趨勢。(1)季節(jié)對發(fā)酵存在影響。堆積發(fā)酵溫度呈“v”型緩慢上升，室溫越高，其堆積醅起始溫度越高。此外，室溫對窖內(nèi)發(fā)酵也存在影響，秋冬季節(jié)醅溫降溫急劇，降幅在4.52～11.17 ℃；春夏季節(jié)醅溫逐步升高并保持在30～35 ℃，且二～四輪次溫度符合“前緩，中挺，后緩落”的變化趨勢。(2)下沙、造沙時室溫低，堆積醅溫高，窖內(nèi)降溫快。結(jié)合前述分析，此階段為前期準(zhǔn)備階段，酒醅酸度低，淀粉含量高，大曲的投入提供了微生物并在堆積時大量繁殖，因而均溫可快速升至44 ℃以上。堆積后酵母雖大量繁殖，但綜合分析得知，此時窖內(nèi)發(fā)酵是以細(xì)菌代謝為主，淀粉消耗量較大，且大量產(chǎn)酸抑制了酵母作用，因此此階段產(chǎn)酒量少。一～四輪次室溫的回升，醅的酸度抑制微生物不如前期般大量繁殖，故而堆積醅溫升溫變緩并在30～35 ℃變化。與此同時室溫的升高得以維持窖內(nèi)發(fā)酵熱，較適宜酵母生長代謝，因此此階段產(chǎn)酒量大，淀粉/酒精轉(zhuǎn)化率高，是以酒精發(fā)酵為主的主要發(fā)酵期。其中一輪次是由非酒精發(fā)酵過渡到酒精發(fā)酵的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折期。五、六輪次為收尾發(fā)酵階段，室溫較高，酒醅淀粉含量低、酸度高，因此非酒精發(fā)酵相對活躍，產(chǎn)酒量低，淀粉/酒精轉(zhuǎn)化率低。(3)發(fā)酵前后細(xì)菌數(shù)量遠(yuǎn)大于酵母數(shù)量，但細(xì)菌與酵母的數(shù)量變化趨勢大致相同，前期準(zhǔn)備期酵母受細(xì)菌產(chǎn)酸抑制，而主發(fā)酵期酵母數(shù)量緩慢上升，這說明隨著季節(jié)室溫、加曲量及其他工藝參數(shù)等變化，酵母與細(xì)菌間的演替和相互作用得以體現(xiàn)，同時也直接表現(xiàn)在醅溫變化、原酒產(chǎn)量的結(jié)果中。

a-細(xì)菌數(shù)量；b-酵母菌數(shù)量；c-發(fā)酵后細(xì)菌數(shù)量；d-發(fā)酵后酵母菌數(shù)量
圖6 不同輪次窖內(nèi)酒醅微生物數(shù)量的對比
Fig.6 The comparison of the number of microorganisms of the pit fermentation grain in different rounds

a-堆積內(nèi)部均溫；b-窖池內(nèi)部均溫
圖7 不同輪次發(fā)酵過程均溫變化趨勢
Fig.7 The trend of the average temperature of the fermentation grains in different rounds

2.3.2 窖池內(nèi)部酒醅溫度具體分析

窖池不同位置點(diǎn)的酒醅溫度變化如圖8所示。由圖8可知,(1)下沙至一輪次時期，低溫區(qū)為SB、SM、SC 3點(diǎn)構(gòu)成的窖池上層區(qū)域，均溫在13.02～29.36 ℃，高溫區(qū)由ZM、ZC、XM、XC 4點(diǎn)圍成，此區(qū)均溫為35.08～44.96 ℃。二～六輪次時期，低溫區(qū)為由SB、ZB、XB 3點(diǎn)構(gòu)成的窖壁區(qū)域，均溫為20～33.63 ℃，高溫區(qū)不變，均溫為30.75～48.53 ℃。由此看出，窖池內(nèi)部存在溫度場，熱量由窖池中心向周圍層層傳遞。(2)初始階段的醅溫對發(fā)酵過程存在一定影響，入窖醅溫在30～35 ℃，發(fā)酵呈“前緩、中挺、后緩落”的趨勢。而窖醅溫的不均勻性導(dǎo)致各位置點(diǎn)的醅溫變化趨勢大致相似。(3)發(fā)酵產(chǎn)熱、傳熱不均致使溫度分區(qū)，前期準(zhǔn)備及收尾發(fā)酵階段溫度分區(qū)不規(guī)則是入窖醅溫差異大或發(fā)酵力弱導(dǎo)致；主發(fā)酵期窖內(nèi)溫度分區(qū)規(guī)律，且中、高溫區(qū)域溫度變化趨于一致，此階段產(chǎn)生大量的發(fā)酵熱弱化了不均勻性對發(fā)酵過程帶來的影響。各位置點(diǎn)醅溫的差異隨周期推進(jìn)而減小。

a-下沙輪次；b-造沙輪次；c-一輪次；d-二輪次；e-三輪次；f-四輪次；g-五輪次；h-六輪次
圖8 不同位置窖內(nèi)酒醅溫度變化對比
Fig.8 The comparison of the temperature changes of the pit fermentation grains at different position

2.4 原酒風(fēng)味物質(zhì)含量變化

全周期不同輪次各位置點(diǎn)酒醅所得原酒揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)含量如附表2(https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1802.TS.20220228.1600.010.html)及圖9所示，(1)造沙輪次、一輪次發(fā)酵酒醅所得原酒揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)中醇、酯含量高，酸相對低，酒體整體偏酸澀；二、三、四輪次原酒中醇低、酯低，酸低，三者差異較小，酒體較協(xié)調(diào)，此時期原酒口感為最佳；后期五、六輪次原酒醇高、酯高、酸低，酒體相對粗糙。這與尚柯[20]研究結(jié)果相一致。推測前期窖池各位置點(diǎn)醅溫差值大，且發(fā)酵力不足，故而造成風(fēng)味物質(zhì)含量差異較大，后期醅溫差值減小，故而差異隨之減小。(2)窖內(nèi)存在的“濃度場”對原酒成分組成有一定影響，如下層醅所含細(xì)菌多，酸度大，所得原酒酸含量高，中層還原糖含量高，所得原酒醛含量高；窖池上層醅所得原酒醇、酯、酸含量差異小，下層較大。(3)原酒中所含酯類物質(zhì)約為8種，含量占比為28.34%；酸類物質(zhì)為8種，占比為13%；可知醬酒是酯、酸含量較高的白酒，且各類物質(zhì)種類豐富度隨周期推進(jìn)均有增加。

a-上層酒醅；b-中層酒醅；c-下層酒醅
圖9 不同輪次各位置酒醅所得原酒風(fēng)味物質(zhì)含量的對比
Fig.9 The comparison of the flavor substance content of the liquor obtained from different positions of the fermented grains in different rounds

3 討論

醬酒生產(chǎn)周期可劃分為3個主要階段：下沙、造沙為前期準(zhǔn)備階段，此階段以非酒精發(fā)酵為主，細(xì)菌產(chǎn)酸高，產(chǎn)酒精相對較少；一～四輪次為主發(fā)酵期，此時室溫適宜，產(chǎn)酒量大，淀粉/酒精轉(zhuǎn)化率高，酵母發(fā)酵相對活躍；五、六輪次為收尾發(fā)酵期，氣候炎熱，淀粉含量低，產(chǎn)酒量下降，淀粉/酒精轉(zhuǎn)化率低，非酒精發(fā)酵相對活躍。

原酒產(chǎn)量呈“中間高、兩頭低”趨勢，風(fēng)味特征圍繞上述3個階段分別具備明顯特征，此現(xiàn)象背后是工藝始終圍繞“控制適當(dāng)?shù)孽瑴睾途獾陌l(fā)酵”這一核心開展。一是“季節(jié)性生產(chǎn)”，利用室溫變化防止過高或過低醅溫帶來的負(fù)面影響，主發(fā)酵期控制醅溫保持在30～35 ℃，為微生物提供適宜的生長溫度；二是“控制加曲量”，多次加曲保證了多次糊化、糖化后的酒醅淀粉含量，同時通過變化加曲量以弱化室溫、醅的酸度高等因素對發(fā)酵的直接影響，形成相對平緩的發(fā)酵趨勢；三是“堆積與窖內(nèi)發(fā)酵結(jié)合”，堆積產(chǎn)熱多，而窖內(nèi)發(fā)酵以降溫為主，二者協(xié)調(diào)作用也為平衡細(xì)菌和酵母兩大主要菌群演替和相互作用，以保證適當(dāng)?shù)陌l(fā)酵進(jìn)行。

無論堆積或是入窖發(fā)酵，固態(tài)發(fā)酵傳熱特點(diǎn)導(dǎo)致了非均勻發(fā)酵，其中存在溫度場和濃度場是主要特征之一。從入窖溫度分布可以看出，發(fā)酵初始階段的不均勻性是造成實(shí)際發(fā)酵過程波動的原因之一，其次，環(huán)境溫度(室溫)對堆積和入窖發(fā)酵期間酒醅溫度的影響較大，環(huán)境溫度的波動變化也是影響發(fā)酵效果的重要因素。這些現(xiàn)象對醬酒生產(chǎn)產(chǎn)生了負(fù)面的影響，在今后的發(fā)酵系統(tǒng)及裝備、工藝研究中應(yīng)設(shè)法改進(jìn)。