白酒地缸發酵過程中酒醅溫度及理化指標分析

余培斌，陳丙友，陳建新

1(工業生物技術教育部重點實驗室(江南大學)，江蘇 無錫，214122)2(糧食發酵工藝與技術國家工程實驗室(江南大學)，江蘇 無錫，214122)3(江南大學 生物工程學院，江蘇 無錫，214122)

在發酵工業中，溫度是最重要的控制指標之一。白酒釀造屬于固態厭氧發酵，酒醅充當著微生物生長培養基的角色。酒醅溫度直接影響著微生物種類變化和代謝產物的生成和積累[1]。白酒按照香型可以分為：濃香型、醬香型、清香型、芝麻香型等多種。其中清香型白酒以清香純正，余味爽凈而深受消費者的喜愛，其釀造工藝特點是“清蒸清茬、地缸發酵、清蒸二次清”[2-3]。不同于其他香型白酒采用窖池發酵，清香型白酒多采用地缸作為發酵容器。發酵過程中酒醅的溫度取決于入缸時酒醅的初始溫度、發酵時微生物的代謝強度和環境溫度的綜合作用。酒醅溫度是決定白酒質量和產量的重要因素[4-5]。張鑫采用地上不銹鋼槽控制環境溫度的方式進行清香型白酒的發酵，發現溫度變化與傳統發酵過程不同，出酒率和酒質也不同，酸度略高[6]；朱引保等采用降地溫的方式控制汾酒生產，發現控溫發酵下出酒率高出0.66%， 優質酒率高出 6.18%[7]。李澤霞等采用恒溫和變溫2種方式對機械化釀酒車間發酵室溫度進行調控，結果顯示，采用變溫調控發酵的酒醅發酵快，頂火溫度高，酸度高，淀粉消耗速度快，酒精度低，蒸餾所得白酒中主體風味物質含量提高，酒體醇厚度和協調度好，感官質量較好[8]。

近幾年由中國釀酒工業協會牽頭的“白酒 158 計劃”正式啟動。該項目以實現中國白酒企業“自動化控制，機械化生產”為總體目標，針對白酒行業機械化的研究也逐漸增多[9-12]。由于白酒香型眾多，目前只有鼓香型、米香型白酒轉為液態發酵，可以完全實現機械化[13-14]。主要香型中濃香型白酒對窖泥依賴程度高，目前還無法脫離窖池發酵，醬香型白酒窖底和封窖仍為窖泥，發酵過程復雜，糟醅需高溫堆積，尤其是糟醅分層出窖、分層蒸餾的工藝使得其機械化出窖難度較大[15]。清香型白酒采用地缸發酵，不依賴窖泥，是最易實現機械化的[16-19]。準確理解發酵過程中酒醅溫度變化規律及其對酒醅理化指標的影響是實現清香型白酒機械化的前提。本研究以清香型白酒實際生產中的酒醅為研究對象，研究地缸發酵過程中酒醅溫度及理化指標的變化規律，為設計白酒發酵設備提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

無水乙醇、葡萄糖、濃HCl、NaOH、鄰苯二甲酸氫鉀、酚酞、CuSO4、酒石酸鉀鈉、葡萄糖、亞甲基藍、正丙醇(分析純)：國藥集團化學試劑有限公司；內標乙酸正戊酯(色譜純)：上海阿拉丁試劑有限公司。

DS1922L紐扣式溫度記錄儀，上海沃第森電子科技有限公司；島津2010-plus氣相色譜儀，日本島津公司；Bruker SCION SQ 456GC-MS氣相色譜-質譜聯用儀，美國Bruker公司；SIN-R200D/ Pt100無紙記錄儀/溫度探頭，杭州聯測自動化技術有限公司；YQX-Ⅱ厭氧培養箱，上海龍躍儀器設備有限公司；SHZ-D循環水式真空泵，鞏義市予華儀器有限責任公司；BSP-250生化培養箱，上海博訊實業有限公司。

1.2 溫度測定及酒醅取樣方法

選取實際生產中的若干地缸及地缸周邊土壤，在大楂落缸時均勻放入9顆紐扣式溫度記錄儀。溫度計位置的安排：地缸中有上(S)、中(Z)、下(X)三層，每層分里(L)、間(J)、外(W)3個位置；土壤中測定上(TS)、中(TZ)和下(TX)；在距離發酵地缸群的1.5 m 測定周圍土壤的溫度，分別為上(BTS)、中(BTZ)、下(BTX)。地缸結構及測溫點安排如圖1所示。紐扣式溫度記錄儀設置每30 min記錄1次溫度，待發酵結束后取出溫度記錄儀讀取溫度數據。

不同發酵對時酒醅取樣方法：使用特制取樣鏟分別于酒醅入缸發酵后的第1,3,5,7,9,12,16,20,24,28天按照圖1測溫點位置取酒醅樣品500 g，迅速放入冰箱冷凍室，集中測試分析。

圖1 地缸尺寸及測溫點安排Fig.1 Cylinder size and the arrangement of sampling points

1.3 理化分析

酸度的測定：酸堿中和法[20]；淀粉含量和還原糖的測定：菲林試劑法[21]。

酒度的測定[22]：酒醅乙醇的提取，稱取10 g酒醅樣品加入100 mL蒸餾水置于電爐上加熱蒸餾，待餾出液達到50 mL時，加入白酒內標1 mL定容到100 mL，待上機測定。

GC分析方法及條件：檢測器：氫火焰離子化檢測器；色譜柱：HP-PLOT/Q(15 m×0.230 mm×20 μm)；程序升溫：40 ℃保持2 min，以4 ℃/min升至220 ℃保持10 min，進樣口溫度為200 ℃；進樣量1 μL；分流比20∶1；檢測器溫度220 ℃。

2 結果與分析

2.1 發酵酒醅溫度變化總趨勢

清香型白酒發酵采用地缸式固態發酵，由于地缸周圍窖泥及缸口保溫材料等諸多因素的影響，同一地缸內不同部位酒醅的溫度必定有差異。取釀酒車間內不同位置5～6個地缸按照圖1所示測溫點安放紐扣溫度記錄儀，發酵結束后讀取溫度數據，鑒于溫度數據較多，相同位置溫度取平均值作圖2。

圖2 酒醅溫度變化總趨勢Fig.2 The general trend of the temperature change of the fermented grains注：S、Z、X分別表示上層、中層、下層； L、J、W分別表示缸軸心處、缸軸心與缸內邊的中點、缸內邊處；SL表示上層中心處測溫點，下同。

從圖2可以看出:(1)地缸發酵過程酒醅溫度存在不均勻變化，其中處于地缸中部的酒醅溫度變化幅度大，處于外部的酒醅溫度變化幅度小，相互之間存在明顯的差異。此外，相對而言，地缸底部溫度相對較低，上部較高，而中部最高。(2)酒醅溫度差異主要表現在發酵的頂火時期，到發酵中后期各部分溫度趨于相同。因此，可以認為造成溫度變化的主因是微生物的代謝活動產生的生物熱量較大，而酒醅的傳熱能力相對較弱，引起地缸中部熱量累積。(3)酒醅在整個發酵過程的大部分時間都處于20～25 ℃，只有中部在較小的時間段內處于更高的溫度，因此可以認為清香型白酒發酵屬于中溫發酵，但是中部酒醅的高溫發酵對酒的風味的影響尚需詳細研究。(4)在酒醅入缸后，酒醅要經過2～3 d的延遲期(在延遲期內酒醅溫度升高速度慢)后，酒醅溫度迅速升高達到頂火。(5)酒醅以相同溫度入缸后，下層酒醅溫度在短時間內小幅度升高，使下層酒醅溫度明顯高于中上層酒醅溫度，這有可能是因為下層酒醅附近的土層屬于深層土，深層土的溫度較中上層高，下層酒醅入缸后迅速吸收附近土層的熱量從而升高溫度。

2.2 季節和環境影響發酵酒醅溫度變化規律的差異分析

在清香型白酒固態發酵過程中，地缸所處的不同地理位置，不同發酵季節都會對地缸內酒醅發酵溫度產生影響，地缸內酒醅的發酵溫度變化規律也會隨之改變。在同一釀酒車間分別于冬季和夏季2個發酵季節取內缸和邊缸各5～6個，按照圖1測溫點安放紐扣溫度記錄儀，發酵結束后讀取溫度數據，取相同位置5～6個溫度數值的平均值作圖3。

對比圖3中冬季發酵內缸a、冬季發酵邊缸b、夏季發酵內缸c和夏季發酵邊缸d四種不同情況酒醅發酵溫度的變化可以得出以下結論：(1)在同一地缸相同位置的酒醅，夏季酒醅的頂火溫度要高于冬季酒醅頂火溫度2～3 ℃。(2)在酒醅入缸經過延遲期后酒醅溫度開始迅速上升，夏季酒醅溫度升高的速度要明顯大于冬季酒醅，達到頂火后夏季酒醅溫度回落的速度也大于冬季酒醅，夏季酒醅溫度在頂火溫度附近停留的時間較短。(3)在到達發酵中后期時，酒醅溫度逐漸趨于穩定，冬季酒醅的最終溫度一般可達到22 ℃左右，低于夏季的最終溫度24 ℃。(4)當到達發酵后期時，冬季同一地缸不同位置酒醅最大溫差為2 ℃左右，而夏季發酵過程中同一地缸不同位置酒醅最大溫差可達5 ℃左右。(5)在相同季節同一發酵時期，地缸內相同位置測溫點，內缸酒醅發酵溫度明顯高于外缸酒醅發酵溫度，這種現象在冬季發酵過程中更為顯著。(6)在酒醅入缸后，酒醅溫度都會經過延遲期后才開始迅速上升，外缸酒醅的延遲期要明顯長于內缸酒醅1～2 d。

分析原因為：夏季環境溫度較高，酒醅入缸后受環境溫度和微生物代謝作用的雙重影響，酒醅溫度較冬季提前進入頂火時期且頂火溫度較高。發酵后期溫度趨于穩定時，酒醅的溫度受微生物代謝作用影響減弱，酒醅的溫度主要取決于環境溫度，因此夏季高于冬季2～3 ℃。

a-冬季內缸，b-冬季邊缸，c-夏季內缸，d-夏季邊缸圖3 不同季節、環境酒醅溫度的變化對比Fig.3 The comparison of the temperature changes of fermented grains in different seasons and environment

2.3 地缸內部酒醅的溫度分布狀況

在清香型白酒地缸發酵過程中，地溫和缸口保溫材料都會對酒醅溫度產生影響，但由于缸的尺寸固定，同一地缸中不同位置的酒醅溫度受外界環境的影響程度不同；再加之地缸不同部位含氧量、含水率等因素的不同，導致同一地缸內不同部位酒醅溫度存在差異。現測定四口處于不同位置和季節的地缸內不同位置的酒醅溫度，將四口缸中SL、ZL點酒醅溫度變化；SJ、ZJ點酒醅溫度變化；SW、ZW點酒醅溫度變化；XL、XJ和XW點酒醅溫度變化分別歸類作圖，如圖4所示。

從圖4可以看出，(1) 不同地缸內相同部位的酒醅溫度變化趨勢基本相同，同一地缸內不同部位酒醅溫度存在較大差異，酒醅內存在溫度梯度。(2) 地缸內SL、ZL點的酒醅頂火溫度最高，為32～36 ℃，其次是SW、ZW點的頂火溫度30～34 ℃，而SW、ZW、XL、XJ和XW點的頂火溫度較低，為23～28 ℃，說明地缸內酒醅距離地缸內壁距離越小，溫度越低。(3)地缸內部SL、ZL、SJ、和ZJ點酒醅的溫度和變化趨勢較接近，而SW、ZW、XL、XJ和XW點酒醅的溫度和變化趨勢較接近。(4)同一地缸內最大溫差可達10 ℃。

分析原因為：上表面氧氣濃度較高，微生物有氧呼吸代謝較旺盛，產熱較多，所以上部中間及里層溫度較高。SW、ZW和XW點酒醅溫度低于同一平面層其他測溫點溫度是因為：地缸周邊酒醅距離土壤較近，土壤溫度低于發酵過程中的酒醅溫度，由于傳熱，酒醅的溫度有所降低。

a-SL、ZL發酵溫度；b-SJ、ZJ發酵溫度；c-SW、ZW發酵溫度；d-XJ、XL、XW發酵溫度。圖4 不同位置酒醅溫度變化對比Fig.4 The comparison of the temperature change of fermented grains at different position注：1、2、3、4表示不同的缸。

2.4 發酵過程中地缸周圍土壤的溫度變化規律

清香型白酒采用固態地缸發酵，地缸周圍土壤與地缸外表面的接觸面是一個熱量交換面，酒醅和地缸之間熱量通過地缸壁進行傳遞，達到一種熱平衡。酒醅入缸后，地溫、入缸溫度和酒醅微生物的代謝產熱，相互作用相互補充，共同為酒醅微生物的生長提供適宜溫度。因此，研究地溫與酒醅溫度的相關性對清香型白酒的生產具有重要作用。根據清香型白酒的實際生產經驗，每年3～4、11～12月份酒的質量和產量較高，為釀酒的最佳時節，此時的地表溫度在8～15 ℃。本研究將12月份生產的清香型白酒的酒醅溫度、地溫和遠離地缸群的地溫變化規律作圖5。

結合圖5數據分析可以得出以下結論：(1)地缸周圍地溫隨酒醅溫度變化而變化，地缸周圍土壤并沒有產熱來源，所以地缸周圍土壤是因為吸收了酒醅中的大量熱量而升高溫度。(2)與酒醅相比，地缸周圍的土壤溫度變化幅度相對較小，但與酒醅有相同的變化趨勢，在時間上相對滯后。酒醅SW、ZW、XW點的最高溫度比同一水平面對應土壤溫度TS、TZ、TX點的最高溫度高1 ℃左右。TS、TZ、TX點的溫度延遲對應點SW、ZW、XW的酒醅溫度。(3)在酒醅入缸前地溫隨深度的加深而升高(TX>TZ>TS)，隨著發酵的進行，當溫度達到頂火溫度時，地溫隨深度的加深而降低(TS>TZ>TX)，到了發酵中后期不同位置的酒醅溫度和地溫趨于相同。(4)與地缸群距離較遠的土壤溫度受酒醅溫度變化的影響較小，受空氣溫度的影響較大，尤其是上層土壤溫度BTS隨空氣溫度的變化而波動較大，且地溫隨著深度的加深而升高(BTX>BTZ>BTS)。

圖5 地溫與酒醅溫度變化對比Fig.5 The comparison of temperature changes of ground and fermented grains注：T表示土；BT表示遠離地缸群的土；SW表示上層缸內邊處測溫點，BTS表示遠離地缸群的上測溫點。

2.5 地缸內部酒醅理化指標的空間對比

酒醅發酵理化指標對分析酒醅發酵狀態至關重要[23-25]。從圖5可知，地缸內酒醅隨著距離地缸內壁的距離變化存在溫度梯度，溫度不同發酵結果必然有差異。酒醅的理化指標還原糖含量、酒度、淀粉含量、酸度直接反應了酒醅的發酵情況。為了解地缸內酒醅溫度不均勻對發酵實際情況的影響，現對地缸內不同部位的酒醅理化指標進行測定。將SL、ZL測溫點酒醅歸為L類測定理化指標；將SJ、ZJ測溫點歸為J類測定理化指標；將靠近缸壁的SW、ZW、XL、XJ、XW測溫點歸為W類測定理化指標；測定結果如圖6所示。

圖6 酒醅理化指標的空間對比Fig.6 The comparison of the space among the physicochemical indexes of the fermented grains

從圖6可以看出：(1) 發酵初期L、J、W點酒醅的還原糖含量相近，當發酵進行至第7對時，不同位置酒醅還原糖含量出現差異，地缸中間的L點酒醅還原糖含量最高，其次是J點酒醅，W點酒醅還原糖含量最低，且這種情況一直持續到發酵結束，酒醅還原糖含量高低與酒醅溫度呈正相關，分析原因為：較高的溫度有利于微生物代謝淀粉轉化為糖類(酒醅溫度L>J>W)。(2) 酒醅酒度在發酵的前7對時迅速升高，第7對時以后酒醅酒度基本穩定，酒醅的酒精發酵主要集中在發酵的前期；發酵初期L、J、W點酒度相同，發酵進行到第7對時的不同位置含量為L>J>W，到了發酵中后期這種差異逐漸縮小。(3)不 同位置酒醅的淀粉含量與酒度的變化規律相反，發酵進行到第7對時時，W點的淀粉含量最高，其次是J點酒醅，L點酒醅含量最低，到達發酵中后期3個部位的淀粉含量差異變小。(4)隨著發酵的進行，酒醅酸度呈直線上升，發酵進行到12對時時，酸度達到最大值，此時酒醅酸度含量為L>J>W，且這種差異一直持續到發酵結束，分析原因為：中層酒醅溫度高有利于產酸微生物的生長代謝。

3 結論

(1)通過測定酒醅溫度隨發酵周期的變化發現，清香型白酒發酵過程中酒醅溫度整體趨勢符合發酵工藝要求的“前緩，中挺，后緩落”，發酵入缸后經過短暫的延遲后，酒醅溫度迅速上升，發酵6 d達到30～36 ℃， 而后溫度緩慢回落。酒醅在整個發酵過程的大部分時間都處于20～25 ℃，只是中部在較小的時間段內處于更高的溫度，可以認為清香型白酒發酵屬于中溫發酵，而中部酒醅的高溫發酵對酒的風味的影響需詳細研究。

(2)通過對比同一發酵地缸內酒醅溫度以及對比酒醅、缸邊土壤和遠離地缸群土壤的溫度變化，發現地缸內酒醅溫度不均勻，存在溫度梯度，里層酒醅溫度>中間層酒醅溫度>外層酒醅溫度，即離地缸壁越近的酒醅溫度越低，最大溫差可達10 ℃；另外發現酒醅溫度對周圍土壤溫度有帶動作用，而遠離地缸群的土壤不受酒醅溫度影響。

(3)測定不同測溫點的酒醅理化性質，發現地缸內不同測溫點酒醅理化性質與酒醅溫度密切相關，酒醅溫度高的地方還原糖、酸度、酒度越高，淀粉含量越低。