芝麻香型白酒控溫發酵中試研究

李一關，王琪，何璇，高銀濤，蔡叢菊，田慶貞，陳建新*

1(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)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工藝相比，中國白酒采用雙邊發酵，開放式培養菌株，特色明顯[1-2]。與啤酒、葡萄酒的工業化程度相比[3]，白酒行業整體機械化水平較低，在生產中過度依賴經驗，缺乏比較有效的精確控制手段。科研人員對固態發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]。對白酒固態發酵過程控制研究較少[6-7]。

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

1 材料與方法

1.1 實驗材料

白酒發酵原料(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 儀器與設備

中試控溫發酵設備，實驗室自行設計制作；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 生化培養箱，上海精宏實驗設備有限公司；SIN-R200D無紙記錄儀，杭州聯測自動化技術有限公司；超凈工作臺，蘇州凈化設備有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 芝麻香型白酒發酵工藝

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。

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

圖1 中試發酵設備示意圖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。在發酵階段，每隔1 d用自制取樣鏟分別在窖池和發酵罐取樣，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的長方體結構，在窖池設置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個埋設在窖池壁處，第11個監測環境溫度。在發酵罐中設置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個埋設在發酵罐壁處，第8個監測頂層酒醅溫度，第9個監測水溫，溫度測量點分布如圖2所示，左側為窖池內測量點分布，右側為發酵罐內測量點分布。溫度測量數據用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采用傳統平板培養法[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 感官評定及揮發性成分測定

發酵結束后，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。

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

2 結果與分析

2.1 窖池與發酵罐發酵過程理化指標變化分析

在發酵過程中酸度、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息息相關，它們的變化能反映出酒醅發酵的情況。

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

白酒釀造依賴于微生物的生長代謝，跟蹤發酵過程中其數量的變化可以了解發酵的整體情況。如圖4所示，發酵罐與窖池內微生物數量的變化趨勢相近。由圖4-a可知，細菌發酵前15 d在109CFU/g酒醅上下波動，發酵后半程穩定在108CFU/g酒醅，其中窖池內細菌數量略高于發酵罐，這可能是因為發酵后期窖池內溫度較高，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量先增加后穩定，這可能是因為發酵前期有O2存在，使其大量繁殖，后期O2耗盡，其數量緩慢下降直至發酵終點，這與杜如冰[22]的研究結果相似；由圖4-d可知，在初始階段(0～3 d)酵母菌數量上升，隨后不斷減少，到15 d時已無法檢出;從圖4-e可知，霉菌數量在整個發酵過程中先增后減，發酵結束時，上層中的數量較下層更多，這可能是因為酒醅隨著發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 窖池與發酵罐微生物數量變化情況Fig.4 Changes in the microorganism counts of fermented grains

2.3 窖池與發酵罐生產原酒品質分析

對窖池生產白酒和發酵罐生產白酒進行氣相色譜分析，發酵罐發酵原酒中乙酸乙酯、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]中優級酒的標準。窖池產白酒中丙酸、丁酸、戊酸、己酸等有機酸含量比發酵罐產白酒高，這可能是因為窖池底部有窖泥與酒醅接觸，其中的微生物產有機酸能力較強，這與范文來等[24]的研究結論一致；發酵罐產白酒中正丙醇、異丁醇、異戊醇等多元醇含量較高，這可能與發酵過程中酵母菌、乳酸菌的代謝有關[25-26]。

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

續表1

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

表2 原酒品評結果Table 2 Sensory evaluation of different Baijiu samples

2.4 窖池與發酵罐發酵過程傳熱分析

圖5為窖池與發酵罐發酵30 d過程中溫度變化情況，發酵罐內溫度變化較為平緩，而窖池內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酵“前緩、中挺、后緩落”的經驗規律。這說明在盛夏時節窖池的溫度調節能力有限，而通過發酵罐的水循環溫控措施能有效控制發酵溫度。

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

白酒發酵是一個非線性、非結構化的復雜過程，涉及很多相互影響的因素，遺傳算法可以模擬微生物在發酵過程中的生長繁殖過程[28]。通過遺傳算法利用發酵實測溫度計算出生物反應熱，進而通過構建模型模擬得到發酵罐內酒醅溫度分布情況，因為發酵罐呈圓柱狀，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 發酵罐內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，發酵罐內酒醅初始溫度為32.5 ℃，發酵結束時酒醅最低溫度為22 ℃，最高溫度為27 ℃。發酵前7 d溫度變化較快，在15 d后溫度逐漸穩定在30 ℃以下。酒醅的底部與外側溫度低，即與換溫層接觸的部分溫度低；最高溫位于發酵罐內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，實際測量數據與反演數據趨勢一致，說明反演測得的熱力學參數準確，可以反映實際發酵情況。

圖7 發酵罐不同位置實際測量與反演數據比較Fig.7 Comparison of actual measurement and simulation data at different positions of fermentation tank

3 結論

用發酵罐通過控溫發酵方式生產芝麻香型白酒對原酒質量有顯著提高，控溫發酵生產白酒均為優級，窖池生產白酒為一級，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原酒的品質與提高產量。原酒品質的區別與發酵過程中溫度變化有關，窖池中溫度變化波動大，且發酵后期溫度較高，所產原酒的乙酸乙酯、己酸乙酯含量未達到優級酒標準。

通過發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酵溫度，在氣溫較高的夏季能實現芝麻香型白酒生產不停頓，使得全年生產成為可能。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酵過程與傳熱有關的參數，為生產放大提供了必要的數據支撐。

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的機理做進一步的研究，為精細化控制奠定重要的基礎。