我國傳統白酒釀造與工業酒精發酵的比較分析

龍 婷，余志晟*，汪 強，張洪勛

（1.中國科學院大學 資源與環境學院，北京 100049；2.貴州茅臺酒股份有限公司，貴州 仁懷 564501）

白酒起源于中國，是一種由谷物自然發酵而成的蒸餾酒。白酒種類繁多，根據不同發酵方式（固態、液態、半固態等），糖化發酵劑類型（大曲、小曲、麩曲等）以及產品風味（濃香、清香、醬香等）可劃分成不同種類[1]。不同種類的白酒由于釀造原料、酒曲種類、發酵方式和自然環境等不同而具有獨特的風味[2]。白酒作為重要的發酵產品，豐富了中國人的生活，改善了中國人的日常飲食結構，是中國飲食文化的重要組成部分[3]。

在傳統釀酒工業的基礎上，工業酒精發酵技術進一步發展。20世紀初期，我國工業酒精開始起步，隨著生產技術的改善，酒精的產量和質量不斷提高，各項生產指標已達到國際領先水平，許多優質酒精遠銷海外，帶來了顯著的經濟效益。酒精作為重要的基礎化工原料，在農業、化工、食品、醫療衛生、國防工業等領域發揮著重要作用。我國工業酒精生產主要采用合成法與發酵法。合成法以石油裂解或焦炭煉制中得到的乙烯作為原料，通過一系列的工藝經化學反應合成酒精。發酵法是指微生物以淀粉質和廢糖蜜等為原料經微生物發酵生成酒精。合成法消耗大量化石燃料，不利于能源的可持續發展，而發酵法具有完善的生產工藝體系，生產設備簡單，能有效整合本地資源，能耗較低，因此被廣泛應用。隨著酒精工業的不斷發展，酒精工業不再局限于傳統工藝，開發新興工藝、優化生產條件、選育優質菌種等逐漸在工業酒精的研究領域占據主導地位[4]。

一直以來，大量科研工作者從事傳統白酒釀造工藝的研究工作，工業酒精發酵技術也非常成熟，傳統釀酒與工業酒精發酵聯系密切又各有特點。本文基于中國傳統白酒釀造與工業酒精發酵技術的研究現狀，從生產原料、預處理方法、發酵工藝、相關菌種和酒精蒸餾技術等五方面對二者進行了比較分析，以期對白酒釀造和酒精生產工業提供一些科學的參考，進而改善白酒釀造工藝，優化酒精生產技術，推動傳統釀酒和酒精工業的發展。

1 生產原料的比較

釀酒原料是決定白酒質量的重要因素之一。傳統釀酒以谷物作為主要原料，包括高粱、玉米、稻米、小麥、蕎麥、青稞等，以“小麥制曲，高粱釀酒”為主。小麥淀粉含量較高，黏著力強，所含氨基酸種類豐富，有利于微生物生長和代謝，是制曲的優良原料[5]。高粱在眾多釀酒原料中使用最為廣泛，主要原因：高粱含有大量淀粉，出酒率高，口感舒適醇厚[6]。高粱耐旱，種植面積廣闊，市場價格低，作為釀酒原料可以降低生產成本[7]；此外，高粱中的單寧經蒸煮發酵可產生特殊香氣并能抑制雜菌[8]。

與傳統釀酒相比，工業酒精發酵的生產原料來源更為豐富。工業酒精發酵原料除淀粉質原料外，還有糖質原料和纖維素原料[9]。糖質原料包括甘蔗、甜菜、甜高粱及廢糖蜜等，通常含有大量的可發酵性糖，是生產酒精的良好原料[10]。另一類重要的生產原料是纖維素原料，纖維素原料通過生物發酵獲取燃料乙醇，實現資源可再生利用[11]。國家發改委在《可再生能源發展“十三五”規劃》中指出，我國未來能源發展應立足國內自有技術力量，積極引進、吸收國外先進經驗，大力發展纖維素乙醇[12]。目前我國主要使用非糧經濟作物如木薯、甜高粱等作為原料生產燃料乙醇，但考慮到原料價格、土地和水資源等因素，以農作物秸稈和木材工業下腳料等農林廢棄物作為原料更加經濟、環保[13]。纖維素乙醇不僅可以減少纖維素廢棄物對環境的污染，還能利用地球上廣泛存在的纖維素生物質，有利于緩解嚴峻的能源危機，是未來生物質能源的重要發展方向之一。傳統釀酒與工業酒精發酵原料如表1所示。

表1 傳統釀酒與工業酒精發酵原料比較Table 1 Comparison of raw materials between traditional brewing and industrial alcohol fermentation

2 預處理方法的比較

在傳統釀酒過程中，由于谷物的淀粉通常以顆粒形式存在于細胞內，淀粉受到細胞組織保護而不易水解，因此需要對原料進行預處理以獲取細胞中的淀粉顆粒。傳統釀酒工藝中預處理包括對原料粉碎和蒸煮，目的是降低淀粉黏度使淀粉游離，最終使淀粉水解為可發酵性糖[18]，便于下一步的發酵。

工業酒精發酵過程中預處理占據著重要地位，預處理方法的選擇直接影響到生產酒精的成本和效率。以淀粉質為原料生產工業酒精時，預處理方法和傳統釀酒類似，都需要粉碎和蒸煮，但工藝更加成熟完善，機械化程度更高。蒸煮工藝已逐漸從間歇蒸煮工藝發展到連續蒸煮工藝，此外還有無需蒸煮的生料發酵工藝，然而由于其液化和糖化效率較低未能得到廣泛應用[19]。為了保證生產的順利進行，淀粉質原料在粉碎之前需要除雜，去除原料中的泥土、沙石、粗纖維、金屬等雜質。經過處理的淀粉質原料不能直接發酵，還需加入糖化劑，使淀粉質原料轉變為可發酵性糖，進而在酵母菌的作用下轉化成乙醇。

與淀粉質原料不同，以糖蜜為原料生產酒精時，原料中含有大量的可發酵性糖，因此無需蒸煮糖化，可以直接進行酒精發酵。然而，糖蜜原料中糖濃度高，灰分和膠質含量高，影響發酵過程中微生物的生長，因此發酵前必須對原料進行預處理。預處理過程包括五個步驟：1）稀釋：減小糖蜜濃度，降低滲透壓。2）酸化：在糖蜜中加入硫酸和鹽酸等，加速灰分與膠體物質的沉淀，同時調節pH，為酵母的生長繁殖提供適宜條件。3）滅菌：對稀糖液滅菌以抑制雜菌生長。4）糖蜜澄清：去除膠體、灰分等沉淀。5）添加營養鹽：補充適量的氮源、磷源、鎂鹽與生長素等以維持酵母菌的生長。

以木質纖維素作為原料生產乙醇時，由于木質纖維素結構復雜，纖維素、半纖維素和木質素三者難以有效分離，因此預處理是限制木質纖維素生物質轉化為乙醇的瓶頸之一[20]。木質纖維素原料的預處理方法復雜，主要包括物理法（機械粉碎、微波、輻射處理等）、化學法（酸、堿、有機溶劑、離子液體處理等）、物理-化學法（蒸汽爆破、氨纖維爆破等）和生物法（白腐菌、褐腐菌和軟腐菌降解等）4種[21]。這些方法各有優缺點，不可能適用于所有的生物質，因此需要結合原料特性和生產實踐選擇適宜的方法。此外，多種技術聯合處理能有效提高預處理效率，具有極大的發展潛力[22]。目前，木質纖維素預處理技術仍是制約纖維素乙醇大規模投入生產的因素之一，開發低成本、高效率、環境友好的新型處理技術將是今后木質纖維素生物質預處理的一個重要研究方向。

3 發酵工藝的比較

不同種類的白酒由于原料不同導致釀造工藝存在差異，白酒釀造過程包括5個關鍵步驟：1）谷物的粉碎和蒸煮：高粱被磨碎以釋放細胞中的淀粉顆粒，蒸煮使淀粉水解，同時去除一些雜菌。2）冷卻拌曲：蒸煮后的谷物冷卻降溫至適宜溫度后與研磨成粉狀的大曲混合。3）固態發酵：發酵谷物與大曲按一定比例混合后入窖發酵。4）蒸餾：發酵結束后通過蒸餾去除雜質獲得純的酒精。5）陳化：在陳化過程中各種芳香族化合物發生氧化還原、酯化、水解、縮合、分解等反應而使得白酒具有獨特的香氣與口感。

工業酒精發酵工藝核心是將可發酵性糖在酵母菌作用下轉化生成乙醇，并蒸餾獲得酒精產品，但是將不同原料轉化為可發酵性糖的工藝過程有所不同。以淀粉質為原料生產酒精時，生產過程包括原料粉碎、拌曲、液化、糖化、發酵和蒸餾等工序[23]。纖維素乙醇的發酵工藝與淀粉質酒精相似，主要包括預處理、水解、發酵、分離、蒸餾和精餾等步驟[24]。而以糖蜜為原料生產工業酒精時，由于糖蜜含有大量可發酵性糖，無需經過蒸煮、糖化等工序，工藝成熟，設備簡單，生產周期短。隨著酒精發酵技術的不斷革新，除了傳統的發酵技術外，還出現了固定化酵母發酵技術、無蒸煮無糖化一步發酵技術、絮凝酵母發酵技術等多種新興技術，酒精發酵技術取得了較大的進展[23]。

4 發酵過程微生物的比較

我國傳統白酒發酵采用微生物群落混合發酵，多種微生物通過復雜的代謝活動及相互作用形成了白酒獨特的風味物質[25]。為了鑒定白酒的風味物質，季克良等[26]采用全二維氣相色譜飛行時間質譜對茅臺酒微量成分進行了研究，結果表明普通飛天茅臺中香氣香味成分達1000種以上。VAN-DIEP L E等[27]利用頂空固相微萃取（headspace solid phase micro-extraction，SPME）和氣相色譜-質譜（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）聯用的方法，從汾酒大曲中檢測到83種揮發性化合物，主要是酯類、酸類、醇類、酮類、醛類、吡嗪類和縮醛類等，這些揮發性化合物形成了白酒獨特的風味。MINGORANCE-CAZORLAL等[28]分析了12種不同酵母對釀酒過程的影響，發現其中一些酵母菌能提高發酵過程乙酸乙酯和乙醇的濃度，對改善白酒的風味起到促進作用。

傳統白酒釀造過程的微生物來源復雜，趙爽等[29]對不同香型白酒中的微生物進行了分析，發現微生物的主要來源為酒曲、酒醅和窖泥。酒曲中含有大量的微生物，可以將谷物中的淀粉經糖化、發酵等過程轉化成乙醇。酒曲根據原料和制作工藝不同可分為大曲、小曲、麩曲[30]。不同類型的酒曲中微生物種類和數量不同，存在酶系種類和酶活力的差異。與小曲和麩曲相比，大曲含有數量和品種最多的微生物，風味更加豐富，因此傳統的固態發酵多以大曲作為糖化發酵劑[31]。白酒釀造過程的微生物的另一個來源是酒醅，酒醅即經充分發酵的谷物，酒醅中原核生物來自大曲和窖泥，微生物群落與大曲中微生物群落基本相同[32]。ZHAO J S等[33]采用了磷脂脂肪酸分析方法對不同陳年窖泥的微生物群落結構進行了評價，發現窖泥微生物包括細菌、真菌和放線菌等，窖池中的微生物群落對白酒的質量和產量有顯著影響。中國傳統釀酒過程中，微生物及其酶系極大地影響了白酒的風味、酒質和產率，在白酒生產過程中發揮了重要作用[34]。

根據分離檢測，霉菌、細菌和酵母菌是白酒生產過程主要的微生物[35]，如表2所示。

表2 傳統釀酒過程的微生物種類Table 2 Microbial species during traditional brewing

與傳統白酒的群落共發酵不同，工業酒精生產主要采用純種發酵，從酒精生產過程中篩選出起主要作用的優勢微生物經純化培養后用于工業生產，能有效地提高產品的生產效率，保證產品的穩定性。在淀粉質和糖蜜為原料生產工業酒精生產過程中，微生物主要來源于糖化劑和發酵劑。糖化劑可以使淀粉全部或部分轉化成葡萄糖等可發酵性糖，隨后在發酵劑的作用下轉化為酒精。纖維素乙醇技術中的關鍵步驟是將纖維素轉化為可發酵性糖，纖維素降解過程主要的功能微生物包括真菌和細菌兩大類[40]，其中白腐菌、褐腐菌、軟腐菌等真菌降解木質纖維素的過程和機理一直是纖維素乙醇領域的研究熱點并取得了巨大的進展。具有纖維素降解能力的細菌包括鏈霉菌、微桿菌、假單胞菌、芽孢桿菌等好氧細菌和脫硫微菌等少數厭氧細菌以及部分極端細菌如嗜熱厭氧菌等。

與真菌相比，細菌具有豐富的生物多樣性，能適應強酸強堿及高溫等極端環境，因此，細菌降解木質纖維素在未來具有較大的潛力[41]。工業酒精生產過程相關微生物如表3所示。

表3 工業酒精發酵過程的微生物種類Table 3 Microbial species during industrial alcohol fermentation

5 酒精脫水技術的比較

傳統釀酒工藝中，酒醅中酒精度數較低，含有一些發酵副產物，必須通過蒸餾提純才能獲得白酒。白酒由于固態發酵模式而采用獨特的甑桶蒸餾方式[42]。在蒸餾過程中，由于沸點較低，酒精會率先汽化而被分離出來。蒸餾過程應使用小火，并去除雜質多、濃度低的酒頭與尾酒，即“留前去后，去頭掐尾”。經蒸餾所得的原酒度數較高，雜質含量低，可以存放多年。

在工業酒精生產過程中，由于發酵液中含有一些發酵副產物如醇、醛、酸、酯等，需要采用蒸餾的方法來分離純化進而得到高濃度酒精。工業酒精生產過程中常用的蒸餾方式有簡單蒸餾，精餾與特殊蒸餾等。由于產品質量要求不同，所采用的蒸餾方式也不同。單塔式、雙塔式和三塔式蒸餾是3種主要的酒精蒸餾工藝。單塔式蒸餾工藝由于設備簡單，生產出來的酒精質量較差，難以達到國家標準，所以很少使用。雙塔式蒸餾工藝包含粗餾塔和精餾塔兩個主要設備，粗餾塔可以去除酒糟等固體物從而將酒精分離出來。精餾塔將分離出來的酒精進行濃縮，并排除大部分揮發性物質。三塔式蒸餾工藝在雙塔工藝的基礎上增加了排醛塔排除醛酯類頭級雜質。三種工藝各有優缺點，根據成熟醪特性和對酒精產品的要求不同，選擇適合的酒精蒸餾工藝。

6 結論

我國傳統釀酒工藝復雜，蘊含著風味化學、微生物生長、固態發酵、微生物群落代謝等豐富知識，以更加深入、系統的方式對傳統釀酒工藝進行研究，探索其背后的科學原理，將有利于推動白酒工業的發展。雖然我國傳統釀酒工藝經過數千年的時間不斷發展已經形成了比較完善的工藝體系，但仍然有改進和發展的空間。工業酒精發酵是在傳統釀酒技術的基礎上發展起來的，二者一脈相承又各具特色。通過對傳統白酒釀造與工業酒精發酵進行比較分析，結果表明，傳統白酒釀造和工業酒精發酵差異顯著，生產原料、預處理方法、發酵工藝、生產過程相關微生物以及酒精蒸餾技術等方面均有所不同，二者各有其優缺點。通過對二者的比較研究，有利于進一步探索有關白酒釀造過程的工藝特性和質量標準，對促進我國白酒釀造的科學化和現代化具有現實意義。未來釀酒工業的發展應該將傳統工藝與現代科技相結合，優化生產工藝，減輕勞動強度，減少對糧食等原輔材料的消耗，對釀酒過程產生的廢物進行資源化利用，降低生產過程的能耗并減少環境污染。對于酒精工業的發展，則可以從傳統釀酒中選育優勢菌種用于酒精的工業生產，進而優化工藝控制，提高酒精產率與質量。