醬香型白酒發酵過程全周期跟蹤分析

何璇，高銀濤，余博文，陳建新

(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)

醬香型白酒采用堆積和窖內2種發酵方式進行多輪次發酵，生產周期長達1年。堆積是為后續窖內發酵提供微生物、酶類、風味物質及其前體等，從而賦予醬香型白酒獨特的風味[1-2]。隨后由窖池內部的封閉環境結合窖泥所形成的多微共酵體系將中間物質轉化為產物。已有研究表明，由溫度差異所構成的窖內發酵環境的差異致使窖內不同部位的酒醅分別產醬香、醇甜和窖底香[3-4]。已有研究證實溫度是影響發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，溫度是通過影響發酵過程中酒醅的理化指標、微生物生長代謝等從而對原酒質量產生重要影響的。而在白酒實際生產應用中，其他香型白酒已實現通過溫度信息干預生產過程，如濃香型白酒已實現使用溫度信息來判斷和調節產、質量的變化情況[7-9]。趙健光等[10]總結云南小曲白酒發酵過程的量化指標并調節指標將出酒率提高至60.3%。綜上所述，跟蹤監測醬酒生產的發酵溫度對分析發酵過程從而指導生產具有一定意義。

此外，醬酒的多輪次發酵工藝致使不同輪次發酵酒醅的理化性質不同、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酵為聚焦點，通過對醬酒生產周期的醅溫及其他相關參數進行全面監測分析，在定量水平上了解發酵過程醅溫演替的變化規律，為構建醬香型白酒優良的發酵體系提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

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

島津GC-2010Plus氣相色譜儀，日本SHIMADZU公司；HSP-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、Pt100溫度探頭，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 酒醅溫度測定點與取樣點的分布

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

a-堆積尺寸及測溫點分布；b-窖池尺寸及測溫點分布圖1 堆積及窖池尺寸與測溫點分布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條堆積溫度數據，349 920條窖內溫度數據。優化各測溫點的數值，整體均溫的計算如公式(1)所示：

(1)

1.3.3 酒醅理化指標及微生物數量測定

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

1.3.4 原酒風味物質含量測定

取各輪次窖內上、中、下層醅所得成品酒為樣品，用氣相色譜法測定揮發性風味成分，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的方法進行[17]。

2 結果與分析

2.1 全周期生產操作參數及相關分析

醬香型白酒生產全周期生產操作參數相關數據統計如附表1(https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1802.TS.20220228.1600.010.html)所示，結合圖2表明，醬酒生產為二次投糧，八次加曲發酵，用曲量隨周期先增后減。一～四輪次的出酒量、淀粉/酒精轉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 發酵過程酒醅理化指標及微生物數量分布情況

2.2.1 理化指標

酒醅理化性質對分析發酵狀態具有重要作用[18-19]。由圖3和圖4可知，(1)堆積前后，各位置點理化數值變化甚微，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，酒醅經逐次發酵后水分含量均值由40.87%逐漸升高至56.95%(質量分數)；酸度均值由3 mmol NaOH/10g酒醅增長至62.3 mmol NaOH/10g酒醅，其中下、造沙時期窖內發酵產酸多，升酸幅度高達21 mmol NaOH/10g酒醅；還原糖均值在0.7%～2.79%(質量分數)逐步增長，堆積前后呈增長趨勢，而窖內發酵前后呈下降趨勢；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%(質量分數)。(3)比較各層酒醅發現，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 微生物數量

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

a-水分含量；b-酸度；c-還原糖含量；d-淀粉含量圖3 不同輪次堆積發酵酒醅理化指標的空間對比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 不同輪次窖內發酵酒醅理化指標的空間對比Fig.4 The comparison of the space among the physicochemical indexes of the pit fermentation grain in different rounds

a-細菌數量；b-酵母菌數量圖5 不同輪次堆積發酵酒醅微生物數量的對比Fig.5 The comparison of the number of microorganisms of the stacked fermentation grain in different rounds

2.3 發酵過程酒醅溫度分布動態分析

2.3.1 發酵過程平均溫度變化動態分析

酒醅溫度是反映發酵狀態最直觀的方式之一，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)季節對發酵存在影響。堆積發酵溫度呈“v”型緩慢上升，室溫越高，其堆積醅起始溫度越高。此外，室溫對窖內發酵也存在影響，秋冬季節醅溫降溫急劇，降幅在4.52～11.17 ℃；春夏季節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，窖內降溫快。結合前述分析，此階段為前期準備階段，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，此時窖內發酵是以細菌代謝為主，淀粉消耗量較大，且大量產酸抑制了酵母作用，因此此階段產酒量少。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發酵熱，較適宜酵母生長代謝，因此此階段產酒量大，淀粉/酒精轉化率高，是以酒精發酵為主的主要發酵期。其中一輪次是由非酒精發酵過渡到酒精發酵的關鍵轉折期。五、六輪次為收尾發酵階段，室溫較高，酒醅淀粉含量低、酸度高，因此非酒精發酵相對活躍，產酒量低，淀粉/酒精轉化率低。(3)發酵前后細菌數量遠大于酵母數量，但細菌與酵母的數量變化趨勢大致相同，前期準備期酵母受細菌產酸抑制，而主發酵期酵母數量緩慢上升，這說明隨著季節室溫、加曲量及其他工藝參數等變化，酵母與細菌間的演替和相互作用得以體現，同時也直接表現在醅溫變化、原酒產量的結果中。

a-細菌數量；b-酵母菌數量；c-發酵后細菌數量；d-發酵后酵母菌數量圖6 不同輪次窖內酒醅微生物數量的對比Fig.6 The comparison of the number of microorganisms of the pit fermentation grain in different rounds

a-堆積內部均溫；b-窖池內部均溫圖7 不同輪次發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 窖池內部酒醅溫度具體分析

窖池不同位置點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，低溫區為SB、SM、SC 3點構成的窖池上層區域，均溫在13.02～29.36 ℃，高溫區由ZM、ZC、XM、XC 4點圍成，此區均溫為35.08～44.96 ℃。二～六輪次時期，低溫區為由SB、ZB、XB 3點構成的窖壁區域，均溫為20～33.63 ℃，高溫區不變，均溫為30.75～48.53 ℃。由此看出，窖池內部存在溫度場，熱量由窖池中心向周圍層層傳遞。(2)初始階段的醅溫對發酵過程存在一定影響，入窖醅溫在30～35 ℃，發酵呈“前緩、中挺、后緩落”的趨勢。而窖醅溫的不均勻性導致各位置點的醅溫變化趨勢大致相似。(3)發酵產熱、傳熱不均致使溫度分區，前期準備及收尾發酵階段溫度分區不規則是入窖醅溫差異大或發酵力弱導致；主發酵期窖內溫度分區規律，且中、高溫區域溫度變化趨于一致，此階段產生大量的發酵熱弱化了不均勻性對發酵過程帶來的影響。各位置點醅溫的差異隨周期推進而減小。

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 原酒風味物質含量變化

全周期不同輪次各位置點酒醅所得原酒揮發性風味物質含量如附表2(https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1802.TS.20220228.1600.010.html)及圖9所示，(1)造沙輪次、一輪次發酵酒醅所得原酒揮發性風味物質中醇、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，酒體較協調，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]研究結果相一致。推測前期窖池各位置點醅溫差值大，且發酵力不足，故而造成風味物質含量差異較大，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約為8種，含量占比為28.34%；酸類物質為8種，占比為13%；可知醬酒是酯、酸含量較高的白酒，且各類物質種類豐富度隨周期推進均有增加。

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味物質含量的對比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

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

原酒產量呈“中間高、兩頭低”趨勢，風味特征圍繞上述3個階段分別具備明顯特征，此現象背后是工藝始終圍繞“控制適當的醅溫和均衡的發酵”這一核心開展。一是“季節性生產”，利用室溫變化防止過高或過低醅溫帶來的負面影響，主發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酵的直接影響，形成相對平緩的發酵趨勢；三是“堆積與窖內發酵結合”，堆積產熱多，而窖內發酵以降溫為主，二者協調作用也為平衡細菌和酵母兩大主要菌群演替和相互作用，以保證適當的發酵進行。

無論堆積或是入窖發酵，固態發酵傳熱特點導致了非均勻發酵，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，發酵初始階段的不均勻性是造成實際發酵過程波動的原因之一，其次，環境溫度(室溫)對堆積和入窖發酵期間酒醅溫度的影響較大，環境溫度的波動變化也是影響發酵效果的重要因素。這些現象對醬酒生產產生了負面的影響，在今后的發酵系統及裝備、工藝研究中應設法改進。