芝麻香型白酒堆積發酵對入窖發酵過程及原酒品質的影響

李小東，高大禹，田慶貞，蔡叢菊，夏海鋒*，陳建新*

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

堆積發酵作為芝麻香型白酒實際生產過程中不可或缺的工藝環節，其成功與否將直接影響入窖發酵的進行，最終影響出酒率和產酒質量[1]。在堆積發酵過程中，酒醅網羅空氣環境以及生產器具的微生物，利用酒醅中的營養物質進行生長、繁殖、代謝、產熱[2]。在堆積發酵結束時，發酵微生物獲得大量富集、酶動力大量積累、微生物代謝合成白酒基本風味物質以及芝麻香風味成分的前體物質[3]。

堆積發酵在開放式環境下進行，受水分、空氣微生物、溫度以及氧氣濃度等因素的影響[4]。在堆積發酵前期，空氣流通、溫度適宜、營養物質豐富，各種微生物快速增殖，尤其是酵母菌和霉菌[5]。同時堆積發酵后期的高溫環境、不同部位酒醅氧氣濃度的差異、微生物之間的相互作用，使得各種微生物進一步自然篩選，于堆積發酵結束時優勢微生物菌群演替完成，為入窖發酵提供微生物基礎[6-7]。入窖發酵作為堆積發酵的延續和豐富，伴隨著窖內微生物菌群進一步演替以及微生物的代謝活動，最終賦予白酒特殊的芝麻香風味[8]。而影響窖內微生物菌群演替及其代謝活動的最主要因素為入窖初始微生物菌群的構成[9]。此外，萬清徽等[10]通過將實際生產中堆積結束時的表層醅和中心醅按不同比例混合后進行對比發酵，發現不同混合比例酒醅會產生不同的發酵過程軌跡，最終影響原酒的香氣品質。因此本文通過模擬實際堆積及入窖發酵過程，研究在不同堆積溫度條件下，不同的微生物菌群演替結果(即入窖初始微生物菌群構成)對入窖發酵過程以及原酒品質的影響，為芝麻香型白酒發酵過程控制及優化技術提供實踐與理論指導。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

實驗室堆積發酵所用的高粱、小麥、麩皮、高溫曲、中溫曲，麩曲均取至江蘇泰州梅蘭春酒廠。乙酸、乳酸(色譜純)阿拉丁；青霉素、制霉菌素，生工生物工程(上海)股份有限公司；葡萄糖、氫氧化鈉、鹽酸等試劑(分析純)，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

液相色譜儀(1260 infinity)，Agilent；氣相色譜儀(GC-2010 Plus)，日本SHIMADZU公司；生化培養箱(BSP-250)，上海博訊實業有限公司；無紙記錄儀(SIN-R200D)，溫度探頭(Ptl00)，杭州聯測自動化技術有限公司；離心機(Pico 17)，Thermo。

1.3 方法

1.3.1 實驗室模擬實際堆積發酵和入窖發酵

在實驗室通過程序升溫培養箱進行堆積發酵和入窖發酵。堆積發酵周期為48 h，入窖發酵周期為30 d，其中堆積發酵期間隔12 h取樣，入窖發酵前10 d，隔2 d取樣，后20 d隔4 d取樣測定指標。堆積發酵模擬兩條溫度曲線，曲線1為酒廠夏季堆積溫度曲線，堆積頂溫達50.5 ℃，為高溫堆積。曲線2為酒廠冬季堆積溫度曲線，堆積頂溫達45.4 ℃，為低溫堆積。樣品1、2模擬溫度曲線1進行高溫堆積，其中樣品1監測中心部位酒醅溫度，樣品2監測表層部位酒醅溫度。樣品3、4模擬溫度曲線2進行低溫堆積，其中樣品3監測中心部位酒醅溫度，樣品4監測表層部位酒醅溫度。堆積發酵結束時，樣品1、3混勻后入窖發酵，而樣品2、4單獨取表層酒醅入窖發酵[10]。各樣品入窖發酵模擬1條溫度曲線(酒廠夏季窖池發酵溫度曲線)，發酵頂溫為41.5 ℃。堆積發酵過程中，樣品1、3均勻取樣，樣品2、4在表層部位取樣，入窖發酵過程中4個樣品均勻取樣測定指標。堆積，入窖發酵期間使用無紙記錄儀實時監測酒醅溫度變化。

1.3.2 酒醅微生物數量變化測定

稱取酒醅樣品10 g于90 mL無菌生理鹽水中混勻，使酒醅微生物充分洗脫于溶液中，并進行梯度稀釋涂布于固體營養培養基，培養至菌落長出并計數。其中酵母菌涂布于YPD固體培養基(添加100 mg/L青霉素)，30 ℃培養2 d即可計數[11]。細菌涂布于LB固體培養基(添加100 mg/L制霉菌素)，37 ℃培養1 d即可計數[11]。霉菌涂布于PDA固體培養基(添加100 mg/L青霉素)，30 ℃培養4～5 d即可計數[11]。乳酸菌涂布于MRS固體培養基(添加100 mg/L制霉菌素)，37 ℃培養2～3 d即可計數[12]。芽孢桿菌涂布于牛肉膏蛋白胨固體培養基(添加100 mg/L制霉菌素)，37 ℃培養1 d即可計數。涂布之前需將酒醅菌液放置于恒溫水浴槽中，80 ℃處理20 min，殺死其余非芽孢微生物，再進行稀釋涂布平板培養[13]。

1.3.3 酒醅理化指標測定

酒醅樣品還原糖、酸度、淀粉以及淀粉出酒率的測定采用白酒發酵酒醅分析方法[14-15]。酒精度采用GC測定[16]，乙醇標準曲線：y=152 551.08x+2 765.12，R2=0.994。

1.3.4 酒醅乳酸和乙酸含量測定

采用HPLC法測定[17]。乳酸標準曲線：y(mg/g酒醅)=2 134.84x+160.84，R2=0.999；乙酸標準曲線：y(mg/g酒醅)=2 704.36x+25.60，R2=0.999。

1.3.5 酒樣感官品評分析

最終酒樣采用暗杯盲評的方法進行[10]。

2 結果與分析

2.1 堆積發酵和入窖發酵過程中溫度變化分析

如圖1所示，按方法1.3.1模擬實際堆積及入窖發酵過程且均達到預計期望。各樣品堆積發酵和入窖發酵酒醅實際溫度與設定溫度基本一致。其中在堆積發酵24 h以后，樣品2酒醅溫度略高于樣品1酒醅溫度，同樣樣品4酒醅溫度也略高于樣品3酒醅溫度。可能是由于樣品2、4監測表層部位酒醅溫度，樣1、3監測中心部位酒醅溫度，而表層部位酒醅直接與空氣接觸，氧氣充足，微生物生長繁殖，代謝產熱更為劇烈，使得酒醅溫度也偏高。

A-堆積發酵溫度變化曲線；B-入窖發酵溫度變化曲線圖1 堆積發酵和入窖發酵溫度變化曲線Fig.1 Temperature variation curve of accumulation and cellar fermentation

2.2 堆積發酵和入窖發酵過程中微生物數量變化分析

如圖2所示，在堆積發酵前24 h各樣品微生物增長較緩慢，但堆積36 h時，已達到堆積頂溫，表面開始出現“白霜”層酒醅[18]，此時酵母菌和霉菌增長最為顯著，均高于9.20 lgCFU/g。之后由于高溫環境，霉菌和酵母菌增長速率明顯變緩慢。此外總細菌、芽孢桿菌、乳酸菌數量也在不斷增加，但增加趨勢較平緩。

如表1所示，樣品1、3由于堆積溫度相差5 ℃，使得入窖初始微生物數量也存在差異。其中樣品1酵母菌、芽孢桿菌數量明顯高于樣品3，霉菌、總細菌和乳酸菌數量與樣品3較接近。樣品2、4由于是表層酒醅，在整個堆積發酵過程中，氧氣充足，各種微生物大量生長繁殖，其中酵母菌、霉菌數量與樣品1、3相比存在顯著差異，均高于9.04 lgCFU/g。另外總細菌、芽孢桿菌和乳酸菌數量也高于樣品1、3。因此在不同的堆積溫度條件下，微生物菌群演替過程以及入窖起始微生物數量均存在差異，且充足的氧氣可促進微生物的增殖。

表1 入窖發酵第0天酒醅微生物數量比較Table 1 Comparison of microbial quantity of cellar fermentation on day 0

如圖2所示，酵母菌和霉菌從入窖發酵開始就處于下降趨勢，而且霉菌(好氧)下降速度高于酵母菌(兼性厭氧)。其中樣品1、3至發酵結束時酵母菌和霉菌僅剩2 lgCFU/g，而總細菌、芽孢桿菌和乳酸菌數量始終較高，但變化趨勢較平緩。樣品2、4盡管起始微生物數量遠高于樣品1、3，但入窖發酵后，酵母菌下降速度與幅度均高于樣品1、3，尤其是樣品2中酵母菌下降速度基本與霉菌一致。兩樣品在發酵22 d后酵母菌已經未能檢測到，霉菌至發酵結束時為2 lgCFU/g。相反樣品2、4中細菌、芽孢桿菌、乳酸菌數量始終高于樣品1、3。因此入窖起始微生物數量的差異，直接影響各種微生物在后期發酵過程中的演替，進而影響各種微生物的代謝活動。

A-樣品1微生物數量變化；B-樣品2微生物數量變化；C-樣品3微生物數量變化；D-樣品4微生物數量變化圖2 堆積發酵和入窖發酵微生物數量變化Fig.2 Microbial quantity change of accumulation and cellar fermentation

2.3 堆積發酵和入窖發酵過程中酒醅理化指標變化分析

如圖3所示，在堆積發酵前期，由于酒醅中微生物處于穩定期，其生長繁殖，代謝活動較和緩，因此淀粉消耗緩慢，酒醅中還原糖變化處于緩升或平緩趨勢，另外酒精度變化也不明顯。在堆積發酵后期，由于酒醅中微生物急劇生長繁殖，代謝產熱，使得淀粉、還原糖迅速下降。另外酒醅中酵母菌大量增殖，酒精度也明顯升高。由于整個堆積發酵過程為好氧發酵，使得酒醅酸度處于緩慢下降趨勢。因此堆積發酵過程主要為微生物的富集以及相關代謝產物的積累，酒精發酵較微弱。

A-酒醅淀粉含量變化；B-酒醅還原糖含量變化；C-酒醅酸度變化；D-酒醅酒精度含量變化圖3 堆積發酵和入窖發酵過程中理化指標變化Fig.3 Physical and chemical indexes change of accumulation and cellar fermentation process

如圖3-D所示，樣品1、3在入窖發酵前10 d，主要為酵母菌利用還原糖進行酒精發酵，產大量的酒精，這與曹維超等人研究結果類似[19]。同時氧氣的消耗、酒醅溫度和酒精濃度的升高也抑制酵母菌的生長，代謝[20]，因此發酵至第10天時酵母菌數量下降至5 lgCFU/g，同時酒精體積分數達到3.2%～3.5%。在此期間由于酒精發酵的劇烈進行，酒醅中淀粉下降迅速，還原糖也迅速被消耗，之后還原糖雖然平緩回升，但仍然處于較低濃度。此外細菌，芽孢桿菌，乳酸菌在此期間生長繁殖，代謝產酸均被抑制，因此在數量上變化平緩，且酒醅酸度也平緩上升。在發酵后期，由于酒精發酵幾乎停止，微生物代謝活動較弱，因此還原糖回升較快，淀粉也平緩下降，直到發酵結束。此外樣品3在發酵22 d之后，酸度上升明顯，還原糖也有所下降，可能是由于樣品3中總細菌、乳酸菌數量有所增加(圖2-C)，代謝產酸造成的。由此可見在堆積發酵過程中控制適宜的微生物菌群數量可以保證入窖后酒精發酵的正常進行。

如圖3所示，與樣品1、3相比，樣品2、4在入窖后除淀粉消耗相似之外，還原糖、酸度、酒精度變化均存在明顯差異。雖然樣品2、4起始微生物數量有明顯優勢，但在入窖發酵前期，酵母菌數量下降迅速，酒精發酵被嚴重抑制，酒精度遠低于樣品1、3(圖3-D)。尤其是樣品2在整個發酵過程中酒精發酵異常微弱，同時也正因為酒精發酵被抑制，其還原糖回升也快。因此樣品2、4在發酵結束時出酒率遠低于樣品1、3，尤其是樣品2的出酒率僅達8.23%(表2)。

表2 不同樣品流酒量和淀粉出酒率差異比較Table 2 Comparison of liquor quantity and starch liquoryield among different samples

注：樣品5為酒廠實際發酵酒醅并于實驗室蒸餾。

推測可能是由于兩樣品中總細菌、芽孢桿菌和乳酸菌起始數量過高，代謝產酸，酒醅升酸快(圖3-C)，酵母菌酒精發酵被抑制，導致發酵異常。因此入窖起始微生物菌群數量過高，入窖后各種微生物之間相互競爭，抑制作用激烈，并不利于微生物正常演替以及酒精發酵，甚至導致發酵異常。

2.4 堆積發酵和入窖發酵過程中乳酸和乙酸變化分析

如圖4所示，在堆積發酵過程中，酒醅中乳酸呈下降趨勢。而在堆積發酵后期，酒醅中酵母菌大量生長繁殖，代謝產乙醇，加上高溫、氧氣充足的堆積環境，乙醇被氧化成乙酸[21]，使得各樣品中乙酸量緩慢上升。此外樣品1、3和樣品2、4由于取樣位置不同，導致乙酸和乳酸量也存在差異。

A-酒醅乳酸含量變化；B-酒醅乙酸含量變化圖4 堆積發酵和入窖發酵過程中乳酸和乙酸變化Fig.4 Lactic acid and acetic acid change of accumulation and cellar fermentation process

在入窖發酵前10 d，樣品1、3中乳酸和乙酸量變化平緩，且均處于較低濃度。在此期間，樣品1、3酒精發酵也正常進行，酒精體積分數迅速上升達到3.2%～3.5%(圖3-D)。此外，樣品3在發酵22 d以后可能是由于總細菌、乳酸菌數量增加，代謝產酸，使得乳酸和乙酸呈上升趨勢。樣品2、4在入窖發酵前兩天乳酸量迅速上升，之后發酵至第10天乳酸量雖然變化平緩，但濃度仍高于樣品1、3。另外樣品2、4中乙酸量卻在不斷增加，濃度顯著高于樣品1、3，尤其是樣品2在發酵第10天時乙酸量達3.45 mg/g酒醅。但在此期間樣品2、4中的酵母菌數量迅速下降，酒精發酵被嚴重抑制，其中樣品4酒精度上升緩慢且遠低于樣品1、3，而樣品2在發酵2 d以后，酒精發酵幾乎停止，酒精體積分數最低且基本未發生變化(圖3-D)。最終導致樣品2出酒率最低，其次是樣品4，遠低于樣品1、3出酒率(表2)。因此導致樣品2、4發酵異常的原因可能是起始微生物菌群數量過高，代謝產乙酸抑制酵母菌酒精發酵[22-23]。

2.5 不同酒樣感官品評差異分析

如表3所示，樣品1和樣品3之間的差異主要存在于酒體風格。樣品1由于堆積溫度高(頂溫達50.9 ℃)，且芽孢桿菌數量豐富，更有利于風味物質的合成，使得酒樣焦糊香突出，呈現醬香的同時兼有芝麻香，與酒廠夏季發酵酒樣接近，屬于芝麻香型白酒中典型的“醬芝”風格。而樣品3由于堆積溫度低(頂溫達45.7 ℃)，堆積發酵劇烈程度低于樣品1，因此酒樣焦糊香弱，芝麻香突出，與酒廠冬季發酵酒樣接近，屬于芝麻香型白酒中典型的“清雅芝麻香”風格。樣品2、4在發酵過程中升酸過快，尤其是乙酸量迅速增加，酵母菌酒精發酵未能正常進行，酒樣呈現尖酸、異味，入口酸澀味重，為發酵異常。因此在不同的堆積溫度條件下，堆積發酵結束時微生物菌群構成不同，最終影響原酒的質量和酒體風格。

表3 不同酒樣感官品評和酒體風格Table 3 Sensory evaluation and liquor style of different liquor samples

注：樣品5為酒廠實際發酵酒醅并于實驗室蒸餾。

3 結論

堆積發酵作為芝麻香型白酒生產過程中最為關鍵的工藝環節，通過堆積發酵，酒醅中酵母菌、霉菌、總細菌、芽孢桿菌、乳酸菌得到大量富集與篩選，在數量上達8.16～9.35 lgCFU/g，為入窖發酵提供微生物基礎。

在不同堆積發酵溫度條件下，入窖發酵初始微生物菌群數量不同，其中霉菌、總細菌、乳酸菌數量較接近，而酵母菌和芽孢桿菌數量差異明顯。入窖后在厭氧以及特定發酵溫度條件下，伴隨著微生物菌群進一步演替并進行相關代謝活動，最終出酒率正常，原酒質量合格，但酒體風格不同。其中高溫堆積條件下出酒率稍微偏低，但利于生香，酒樣呈現醬香的同時兼有芝麻香，為“醬芝”風格。而低溫堆積條件下利于產酒，酒樣芝麻香突出，為“清雅芝麻香”風格。在堆積發酵結束時，表層酒醅中各種微生物數量處于絕對優勢，其中酵母菌、霉菌、總細菌數量達9.04～9.35 lgCFU/g。單獨取表層酒醅入窖后，酒醅升酸快，尤其是乙酸量迅速增加，酵母菌下降迅速，最終出酒率低，原酒質量不合格。可能是由于入窖初始微生物菌群數量過高，入窖后微生物之間相互競爭、抑制作用激烈，最終細菌成為整個發酵過程的優勢菌群，代謝產乙酸抑制酵母菌酒精發酵。因此在堆積發酵過程中控制適宜的微生物種類和數量對入窖發酵過程、原酒質量以及酒體風格有重要影響。

由于堆積發酵的開放環境，如何更加穩定，有效地調控堆積發酵過程，為入窖發酵提供更為合適的微生物基礎以及代謝產物基礎，需要更加深入研究微生物之間的相互作用機理以及其他環境因素對堆積發酵的影響。

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