李一關(guān)，王琪，何璇，高銀濤，蔡叢菊，田慶貞，陳建新*

1(糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國家工程實驗室(江南大學)，江蘇 無錫，214122)2(江蘇泰州梅蘭春酒廠有限公司，江蘇 泰州，225300)

白酒是我國的傳統(tǒng)食品，具有悠久的歷史和文化，屬于世界六大蒸餾酒之一，與其他蒸餾酒的生產(chǎn)工藝相比，中國白酒采用雙邊發(fā)酵，開放式培養(yǎng)菌株，特色明顯[1-2]。與啤酒、葡萄酒的工業(yè)化程度相比[3]，白酒行業(yè)整體機械化水平較低，在生產(chǎn)中過度依賴經(jīng)驗，缺乏比較有效的精確控制手段?？蒲腥藛T對固態(tài)發(fā)酵控制的研究主要集中于抗生素、酶制劑、食品添加劑和生物肥料等[4-5]。對白酒固態(tài)發(fā)酵過程控制研究較少[6-7]。

芝麻香型白酒原酒在不同季節(jié)產(chǎn)量與質(zhì)量有明顯差別，春、秋和冬季產(chǎn)量較高且酒質(zhì)更好，夏季原酒產(chǎn)量與質(zhì)量都有明顯下降，且盛夏芝麻香型白酒工廠面臨酒質(zhì)下降、放假停產(chǎn)，導致年產(chǎn)量降低[8]。夏季芝麻香型白酒生產(chǎn)的溫度較高，在發(fā)酵完成后普遍在30 ℃以上，這可能帶來2個問題，一是細菌代謝比較活躍，可能會產(chǎn)更多的雜醇類物質(zhì)；二是酒精在發(fā)酵過程中有一定揮發(fā)，溫度過高可能導致酒醅內(nèi)酒精的損失。在實驗室階段我們通過溫度控制進行固態(tài)發(fā)酵可有效提高原酒品質(zhì)與產(chǎn)量[9-10]。本文通過自行研制中試發(fā)酵設(shè)備，在工廠中對芝麻香型白酒發(fā)酵進行溫度控制，為芝麻香型白酒生產(chǎn)提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

白酒發(fā)酵原料(高粱、小麥、麩皮、稻殼、酒曲、酒糟等)，江蘇泰州梅蘭春酒廠有限公司；濃HCl、NaOH、葡萄糖、NaCl、可溶性淀粉等試劑(分析純)，國藥集團化學試劑有限公司；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

中試控溫發(fā)酵設(shè)備，實驗室自行設(shè)計制作；AI-526P型人工智能溫度控制器、AI-706M型多路巡檢顯示儀，廈門宇電自動化科技有限公司；GC-2010Plus 氣相色譜儀，日本 SHIMADZU 公司；SHP-250 生化培養(yǎng)箱，上海精宏實驗設(shè)備有限公司；SIN-R200D無紙記錄儀，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 實驗方法

1.3.1 芝麻香型白酒發(fā)酵工藝

芝麻香型白酒的工藝流程[11]主要為高粱粉碎、高溫潤糧、蒸糧、揚冷、拌曲、堆積、發(fā)酵、上甑蒸餾。原料配比為m(高粱)∶m(麩皮)∶m(水)∶m(酒糟)∶m(酒曲)=1∶0.125∶0.8∶4∶0.5。

中試實驗設(shè)備包括4個部分，示意圖見圖1。發(fā)酵罐直徑1.8 m，高度1.6 m，設(shè)計容積3 m3，外層及底板有夾層及保溫層，夾層內(nèi)可以通水，通過水泵將水在發(fā)酵罐、水箱、冷水機間循環(huán)。發(fā)酵罐內(nèi)部焊有吊鉤，發(fā)酵結(jié)束后可以直接用吊車將發(fā)酵罐吊至蒸餾區(qū)。水箱與發(fā)酵罐內(nèi)均有溫度探頭與控制箱相連，控制柜采集發(fā)酵罐內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)，控制箱內(nèi)裝有自行設(shè)計的控溫程序，通過PID控制水箱溫度變化達到預設(shè)溫度曲線，從而實現(xiàn)控溫目的[12-15]。

圖1 中試發(fā)酵設(shè)備示意圖Fig.1 Schematic diagram of pilot equipment of fermentation

1.3.2 取樣點及測溫點排布

中試實驗在5～9月進行。在發(fā)酵階段，每隔1 d用自制取樣鏟分別在窖池和發(fā)酵罐取樣，取樣點為4個，記為邊上、邊下、中上、中下。邊上：距上表面20 cm、距邊緣20 cm；邊下：距上表面70 cm、距邊緣20 cm；中上：距上表面20 cm、距邊緣90 cm；中上：距上表面20 cm、距邊緣90 cm；中下：距上表面70 cm、距邊緣90 cm。

窖池為3 m×2 m×2 m的長方體結(jié)構(gòu)，在窖池設(shè)置11個測溫點，其中9個分別為距上表面0.5、1.0、1.5 m處，距窖池壁0.2、0.9、1.5 m處，第10個埋設(shè)在窖池壁處，第11個監(jiān)測環(huán)境溫度。在發(fā)酵罐中設(shè)置9個測溫點，其中6個分別在距上表面0.2、1.0、1.4 m處，第7個埋設(shè)在發(fā)酵罐壁處，第8個監(jiān)測頂層酒醅溫度，第9個監(jiān)測水溫，溫度測量點分布如圖2所示，左側(cè)為窖池內(nèi)測量點分布，右側(cè)為發(fā)酵罐內(nèi)測量點分布。溫度測量數(shù)據(jù)用ANSYS 17.0處理[16-17]。

圖2 溫度測定分布圖Fig.2 Distribution map of temperature measurement

1.3.3 酒醅微生物及理化指標測定

酒醅樣品中酵母、細菌、霉菌、乳酸菌和芽孢桿菌等微生物的計數(shù)采用傳統(tǒng)平板培養(yǎng)法[18]。酒醅樣品理化指標，如還原糖、酸度、淀粉、含水率和酒精度測定采用白酒酒醅分析方法[19-20]。

1.3.4 感官評定及揮發(fā)性成分測定

發(fā)酵結(jié)束后，對原酒酒樣進行盲評，參考劉傳賀等[21]的方法。感官品評人員為1位國家級評委和6名受過品酒訓練的實驗室成員。

酒醅中揮發(fā)成分用氣相色譜法測定，以質(zhì)量濃度20 g/L的乙酸正丁酯溶液作為內(nèi)標溶液，色譜柱為LZP-930，操作條件參考萬清徽[9]的方法進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 窖池與發(fā)酵罐發(fā)酵過程理化指標變化分析

在發(fā)酵過程中酸度、水分含量、淀粉含量、酒精度等酒醅理化指標與最終原酒的品質(zhì)息息相關(guān)，它們的變化能反映出酒醅發(fā)酵的情況。

如圖3所示，窖池與發(fā)酵罐內(nèi)各項理化指標變化趨勢一致。由圖3-a可知，發(fā)酵過程中酸度不斷上升，在發(fā)酵10 d后酸度增加更快，這是因為前期發(fā)酵的優(yōu)勢菌種為酵母菌，隨著發(fā)酵的進行，酒精不斷積累，同時酸性物質(zhì)也在增加，導致發(fā)酵后期細菌活性增強，代謝產(chǎn)酸能力增加；由圖3-b可知，水分含量在發(fā)酵過程中也呈現(xiàn)上升趨勢，這是因為水是微生物代謝的產(chǎn)物，在密閉空間會不斷增加；由圖3-c、3-d可知，淀粉和還原糖質(zhì)量分數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢，且下降主要在發(fā)酵前5 d，說明雙邊發(fā)酵主要在發(fā)酵前期進行，與圖3-e、3-f結(jié)合也能看出發(fā)酵前期糖化酶活力更強且酒精度增長過快，這與萬清徽[9]在實驗室發(fā)酵階段的研究結(jié)果相似。在發(fā)酵結(jié)束后，測得窖池出酒率為35.9%，發(fā)酵罐出酒率為39.3%，工廠絕對產(chǎn)率提高了3.4%，控溫發(fā)酵比自然發(fā)酵相對產(chǎn)率提高了9.5%。

a-酸度；b-水分含量；c-淀粉；d-還原糖；e-糖化酶；f-酒精度圖3 窖池與發(fā)酵罐酒醅理化指標變化情況Fig.3 Changes in physical and chemical indicators of fermented grains

2.2 窖池與發(fā)酵罐發(fā)酵過程微生物數(shù)量變化分析

白酒釀造依賴于微生物的生長代謝，跟蹤發(fā)酵過程中其數(shù)量的變化可以了解發(fā)酵的整體情況。如圖4所示，發(fā)酵罐與窖池內(nèi)微生物數(shù)量的變化趨勢相近。由圖4-a可知，細菌發(fā)酵前15 d在109CFU/g酒醅上下波動，發(fā)酵后半程穩(wěn)定在108CFU/g酒醅，其中窖池內(nèi)細菌數(shù)量略高于發(fā)酵罐，這可能是因為發(fā)酵后期窖池內(nèi)溫度較高，更適合細菌的生長代謝；圖4-b、4-c可知，乳酸菌與芽孢桿菌數(shù)量先增加后穩(wěn)定，這可能是因為發(fā)酵前期有O2存在，使其大量繁殖，后期O2耗盡，其數(shù)量緩慢下降直至發(fā)酵終點，這與杜如冰[22]的研究結(jié)果相似；由圖4-d可知，在初始階段(0～3 d)酵母菌數(shù)量上升，隨后不斷減少，到15 d時已無法檢出;從圖4-e可知，霉菌數(shù)量在整個發(fā)酵過程中先增后減，發(fā)酵結(jié)束時，上層中的數(shù)量較下層更多，這可能是因為酒醅隨著發(fā)酵進行整體不斷下陷，有少許O2進入，使得霉菌又可以繁殖。

a-細菌；b-乳酸菌；c-芽孢桿菌；d-酵母菌；e-霉菌圖4 窖池與發(fā)酵罐微生物數(shù)量變化情況Fig.4 Changes in the microorganism counts of fermented grains

2.3 窖池與發(fā)酵罐生產(chǎn)原酒品質(zhì)分析

對窖池生產(chǎn)白酒和發(fā)酵罐生產(chǎn)白酒進行氣相色譜分析，發(fā)酵罐發(fā)酵原酒中乙酸乙酯、己酸乙酯分別為684.19、137.61 mg/L，達到GB/T 20824—2007 《芝麻香型白酒》[23]中優(yōu)級酒的標準。窖池產(chǎn)白酒中丙酸、丁酸、戊酸、己酸等有機酸含量比發(fā)酵罐產(chǎn)白酒高，這可能是因為窖池底部有窖泥與酒醅接觸，其中的微生物產(chǎn)有機酸能力較強，這與范文來等[24]的研究結(jié)論一致；發(fā)酵罐產(chǎn)白酒中正丙醇、異丁醇、異戊醇等多元醇含量較高，這可能與發(fā)酵過程中酵母菌、乳酸菌的代謝有關(guān)[25-26]。

表1 發(fā)酵罐與窖池發(fā)酵原酒成分分析Table 1 Comparison of compounds in different samples

續(xù)表1

采用暗杯盲評方式進行感官評價，結(jié)果如表2所示。2種酒均有芝麻香型白酒典型風格，主要區(qū)別在于窖池產(chǎn)白酒入口有雜味，且酸味略高于發(fā)酵罐所產(chǎn)白酒；發(fā)酵罐產(chǎn)白酒入口甜感更強，口感更加辛辣，后味更凈。2種酒的感官評價有所區(qū)別可能是因為窖池產(chǎn)白酒有窖泥微生物代謝的作用，而發(fā)酵罐的不銹鋼壁無窖泥微生物，這與盧振[27]的研究結(jié)果相符。

表2 原酒品評結(jié)果Table 2 Sensory evaluation of different Baijiu samples

2.4 窖池與發(fā)酵罐發(fā)酵過程傳熱分析

圖5為窖池與發(fā)酵罐發(fā)酵30 d過程中溫度變化情況，發(fā)酵罐內(nèi)溫度變化較為平緩，而窖池內(nèi)溫度變化有一定波動，窖池上層邊緣的溫度在第23天前后還有回升，不符合芝麻香型白酒發(fā)酵“前緩、中挺、后緩落”的經(jīng)驗規(guī)律。這說明在盛夏時節(jié)窖池的溫度調(diào)節(jié)能力有限，而通過發(fā)酵罐的水循環(huán)溫控措施能有效控制發(fā)酵溫度。

圖5 窖池與發(fā)酵罐發(fā)酵過程溫度變化情況Fig.5 Temperature change in fermentation tank and winery pit

白酒發(fā)酵是一個非線性、非結(jié)構(gòu)化的復雜過程，涉及很多相互影響的因素，遺傳算法可以模擬微生物在發(fā)酵過程中的生長繁殖過程[28]。通過遺傳算法利用發(fā)酵實測溫度計算出生物反應熱，進而通過構(gòu)建模型模擬得到發(fā)酵罐內(nèi)酒醅溫度分布情況，因為發(fā)酵罐呈圓柱狀，所以以圓柱的1/4截面進行熱分布計算，第0、1、2、3、4、5、6、7、10、15、20、28天酒醅溫度具體分布如圖6所示。

分別為第0、1、2、3、4、5、6、7、10、15、20、28天溫度分布圖6 發(fā)酵罐內(nèi)酒醅隨時間的溫度分布變化Fig.6 Changes in the temperature distribution of fermentation tank

由圖6可知，發(fā)酵罐內(nèi)酒醅初始溫度為32.5 ℃，發(fā)酵結(jié)束時酒醅最低溫度為22 ℃，最高溫度為27 ℃。發(fā)酵前7 d溫度變化較快，在15 d后溫度逐漸穩(wěn)定在30 ℃以下。酒醅的底部與外側(cè)溫度低，即與換溫層接觸的部分溫度低；最高溫位于發(fā)酵罐內(nèi)部及其上部與外界空氣接觸部分。

將計算獲得的溫度分布變化與實際測得溫度變化相比較，如圖7所示，實際測量數(shù)據(jù)與反演數(shù)據(jù)趨勢一致，說明反演測得的熱力學參數(shù)準確，可以反映實際發(fā)酵情況。

圖7 發(fā)酵罐不同位置實際測量與反演數(shù)據(jù)比較Fig.7 Comparison of actual measurement and simulation data at different positions of fermentation tank

3 結(jié)論

用發(fā)酵罐通過控溫發(fā)酵方式生產(chǎn)芝麻香型白酒對原酒質(zhì)量有顯著提高，控溫發(fā)酵生產(chǎn)白酒均為優(yōu)級，窖池生產(chǎn)白酒為一級，同時微生物變化趨勢相似，理化指標變化趨勢相似，酒醅酒精含量較高，發(fā)酵罐出酒率比窖池高3.4%，出酒率相對提高9.5%，證明在氣溫較高時引入溫度控制手段可以有效改善生產(chǎn)原酒的品質(zhì)與提高產(chǎn)量。原酒品質(zhì)的區(qū)別與發(fā)酵過程中溫度變化有關(guān)，窖池中溫度變化波動大，且發(fā)酵后期溫度較高，所產(chǎn)原酒的乙酸乙酯、己酸乙酯含量未達到優(yōu)級酒標準。

通過發(fā)酵溫度曲線對比及酒醅熱分布圖可知，本實驗裝備可有效控制發(fā)酵溫度，在氣溫較高的夏季能實現(xiàn)芝麻香型白酒生產(chǎn)不停頓，使得全年生產(chǎn)成為可能。同時利用遺傳算法對實測溫度進行反演計算，得到酒醅的生物反應熱變化曲線以及發(fā)酵過程與傳熱有關(guān)的參數(shù)，為生產(chǎn)放大提供了必要的數(shù)據(jù)支撐。

本研究的不足之處在于，還需要對溫度變化影響芝麻香型白酒生產(chǎn)的機理做進一步的研究，為精細化控制奠定重要的基礎(chǔ)。