濃香型白酒杜康酒醅發(fā)酵過程中理化指標(biāo)變化規(guī)律

李璇，戚居勝，韓四海*，劉建學(xué)，羅登林

1(河南科技大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽，471023)2(食品加工與安全國家級實驗教學(xué)示范中心，河南 洛陽，471023)3(河南省食品原料工程技術(shù)研究中心，河南 洛陽，471023)

白酒是中國統(tǒng)發(fā)酵食品。濃香型白酒以窖香濃郁、綿柔甘冽、入口綿甜、香味協(xié)調(diào)及尾凈余長等酒體風(fēng)格而享有盛名，是我國白酒的基本香型之一，占據(jù)了70%的市場份額。目前市場上濃香型白酒的品牌主要有瀘州老窖、五糧液、劍南春等。河南省出產(chǎn)的白酒以濃香型為主，并以杜康、宋河、張弓(皇封)、林河和仰韶等為典型代表[1-4]。

中國濃香型白酒的發(fā)酵過程是與窖池中龐大微生物區(qū)系在酒醅固、液、氣三相的復(fù)雜物質(zhì)能量代謝緊密相連的。酒醅是白酒釀造的主體，也是微生物生長代謝的基質(zhì)。伴隨著酒醅發(fā)酵的進(jìn)行，窖池微生物群落不斷地發(fā)生著有序的消長變化[5-6]，酒醅中的各種物質(zhì)形態(tài)不斷地產(chǎn)生和消失，通過窖池內(nèi)物質(zhì)鏈的傳遞形式體現(xiàn)能量代謝的變化，最終形成濃香型白酒與眾不同的成分構(gòu)成和風(fēng)味特征[7-10]。

本文通過跟蹤研究發(fā)酵過程中酒醅理化指標(biāo)的動態(tài)變化，解析濃香型白酒的釀造機制，以豐富濃香型白酒釀造的科學(xué)理論，提高白酒釀造的工藝控制水平和白酒品質(zhì)。

1 材料與方法

1.1 樣品來源及采樣方法

實驗樣品取自洛陽汝陽杜康酒廠2-3班中排3號窖。該窖池出產(chǎn)的酒的品質(zhì)一直較穩(wěn)定，具有較好的代表性。取樣時間2017年4～6月。發(fā)酵酒醅按上、中、下分層，同一層面又分為中心部和周邊部，取樣后混合均勻作為1個樣品。發(fā)酵過程按0(入窖)、10、20、30、40、50、60 d(出窖)采樣。

1.2 主要實驗儀器

GZX-9420MBE電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；THZ-82A恒溫振蕩器，常州朗越儀器制造有限公司；UV7500紫外可見分光光度計，上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；J-110001電子天平，上海精密科學(xué)儀器有限責(zé)任公司；K9840自動凱氏定氮儀，山東歐萊德儀器有限公司；pH計，北京華科儀科技股份有限公司；HH-6水浴鍋，鞏義市予華儀器有限公司。

1.3 實驗方法

對發(fā)酵酒醅的分析包括水分、pH值、總酸、還原糖、粗淀粉、酒精含量、總酯、氨態(tài)氮、有效磷和粗蛋白等。其中水分、總酸、還原糖、粗淀粉、酒精含量、總酯、氨態(tài)氮和有效磷含量的測定方法參考《白酒生產(chǎn)技術(shù)全書》[7, 11-12]。pH值采用pH計測定。粗蛋白的含量采用自動凱氏定氮儀測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分的變化

水分是固態(tài)發(fā)酵酒醅的主要控制指標(biāo)之一。窖池中水分適宜，不僅可以參與糖化過程，保證窖池中微生物的生長代謝，并為其代謝產(chǎn)物(醇、醛、酸、酯等)提供有效溶劑，還可以稀釋酸度，調(diào)節(jié)窖池內(nèi)的發(fā)酵溫度，保證酒醅的緩慢發(fā)酵[8, 12]。酒醅發(fā)酵過程中的水分含量及其變化趨勢如圖1所示。

圖1 酒醅發(fā)酵過程中水分含量隨時間的變化趨勢Fig.1 The change trend of moisture in the fermented grains during the fermentation

酒醅初始含水量為59.97%，在發(fā)酵前10 d內(nèi)急劇上升，可能由于初期酒醅中營養(yǎng)物質(zhì)豐富且含氧充足，酵母菌和霉菌等好氧微生物快速生長繁殖，進(jìn)行有氧呼吸代謝產(chǎn)生大量的水，第10天達(dá)最高值73.70%；自第10天后含水量呈現(xiàn)波動下降，可能是由于水分達(dá)到飽和狀態(tài)，多余的水向下移動在窖池底部沉積，成為黃水的主要成分[7]，這期間也有通過酯化反應(yīng)生成的水，但由于水的生成速度略小于水的沉降速度，所以才呈現(xiàn)波動下降的趨勢，直到發(fā)酵后期，水分含量略有所上升。

2.2 pH值和總酸的變化

發(fā)酵過程中pH值是微生物在特定環(huán)境下代謝活動的綜合指標(biāo)，是一項重要的發(fā)酵參數(shù)，它對微生物的生長及代謝產(chǎn)物的形成有重要的影響。酒醅發(fā)酵過程中的pH值及其變化趨勢如圖2所示。整個發(fā)酵過程中pH值一直在3.6～3.9之間。pH值在前10 d內(nèi)略微上升，而后又呈現(xiàn)下降趨勢。整個發(fā)酵過程pH值由初始的3.86下降至最終的3.60。發(fā)酵過程中的總酸含量及其變化趨勢如圖3所示。總酸含量在發(fā)酵前10 d內(nèi)略微下降，由0.63 g/100 g酒醅下降至0.53 g/100 g酒醅，而后急劇上升，含量達(dá)到1.15 g/100 g酒醅，之后趨于平穩(wěn)并略有上升，正好與pH值的變化趨勢相反。

導(dǎo)致這種變化趨勢的原因是由于發(fā)酵初期霉菌和酵母是微生態(tài)系統(tǒng)中的優(yōu)勢菌，產(chǎn)酸菌的活性受到抑制，同時酒醅中的乙醇和有機酸通過酯化反應(yīng)相結(jié)合，導(dǎo)致初期有機酸含量的減少，使得pH值略微升高，同時有機酸也可以作為碳源和能源物質(zhì)被消耗[13]。當(dāng)酒醅顆粒間隙中的氧氣近乎消耗殆盡，以及產(chǎn)物的抑制作用讓霉菌和酵母活性減弱，產(chǎn)酸菌開始大量生長繁殖，總酸含量快速上升，pH值開始下降。之后酯類的生成開始加強，并且有機酸作為碳源和能源物質(zhì)被微生物利用，有機酸的產(chǎn)生和消耗處于動態(tài)平衡中[14-16]。

圖2 酒醅發(fā)酵過程中pH值隨時間的變化趨勢Fig.2 The change trend of pH values in the fermented grains during the fermentation

圖3 酒醅發(fā)酵過程中總酸含量隨時間的變化趨勢Fig.3 The change trend of total acid in the fermented grains during the fermentation

2.3 還原糖和粗淀粉的變化

發(fā)酵過程中還原糖的含量呈下降趨勢(圖4)，其含量由初始1.42 g/100 g(酒醅)下降至0.04 g/100 g。在發(fā)酵前20 d下降速度較快，發(fā)酵20～60 d下降幅度逐漸減緩，主要是由于發(fā)酵過程中微生物代謝導(dǎo)致還原糖分解生成乙醇和乳酸等物質(zhì)，而發(fā)酵中后期隨著酸度的升高，抑制了淀粉酶的活性，使得還原糖在消耗的同時沒有得到有效的補充，還原糖作為整個發(fā)酵過程中的主要能源物質(zhì)和主要碳源，逐漸被微生物利用消耗殆盡[17-18]。

圖4 酒醅發(fā)酵過程中還原糖含量隨時間的變化趨勢Fig.4 The change trend of reducing sugar content in the fermented grains during the fermentation

酒醅發(fā)酵過程中淀粉含量的變化如圖5所示，淀粉含量在發(fā)酵前10 d小幅度上升，可能是由于發(fā)酵初期，還原性糖、纖維素等其他固體原料成分消耗較快，粗淀粉利用率很低，使粗淀粉所占酒醅的質(zhì)量比例增高。淀粉含量在發(fā)酵第10～20天快速下降至9.40 g/100 g(酒醅)，發(fā)酵第20～60天保持平穩(wěn)且略微下降。這是由于發(fā)酵前期霉菌和酵母菌生長代謝旺盛，是酒醅整個微生態(tài)系統(tǒng)中的優(yōu)勢菌，產(chǎn)生大量的淀粉酶，使淀粉水解產(chǎn)生單糖，因而前期淀粉含量下降較快[18-19]，中后期逐漸趨于平穩(wěn)是由于隨著有機酸的產(chǎn)生，酒醅中的較高酸度抑制了淀粉酶的活性，使淀粉幾乎不再分解的緣故。

圖5 酒醅發(fā)酵過程中淀粉含量隨時間的變化趨勢Fig.5 The change trend of starch in the fermented grains during the fermentation

2.4 酒精含量的變化

發(fā)酵過程中的酒精含量及其變化趨勢如圖6所示。酒精含量的變化在發(fā)酵前10 d呈現(xiàn)快速上升趨勢，并在第10天達(dá)到最高值94.68 mg/g(酒醅)，之后酒精含量變化較為平穩(wěn)，略有下降。基本維持在78.90～94.68 mg/g(酒醅)。呈現(xiàn)這種變化趨勢的原因可能是發(fā)酵初期酵母發(fā)酵分解糖類產(chǎn)生大量的酒精，20 d以后發(fā)酵進(jìn)入了產(chǎn)酸和產(chǎn)酯為主的階段，酒精發(fā)酵減弱，同時酯化作用和呼吸作用都會消耗乙醇，酒精含量便處于一個動態(tài)平衡之中[16, 20]。

圖6 酒醅發(fā)酵過程中酒精含量隨時間的變化趨勢Fig.6 The change trend of alcohol content in the fermented grains during the fermentation

2.5 其他參數(shù)的變化

2.5.1 總酯的變化

發(fā)酵過程中的總酯含量及其變化趨勢如圖7所示。總酯含量的變化在發(fā)酵初期快速上升，在第10天達(dá)到最高值8.34 g/100 g(酒醅)，而后逐漸下降并趨于平穩(wěn)，維持在4.0 g/100 g(酒醅)左右。從發(fā)酵開始，原料的分解伴隨乙醇和各種有機酸的產(chǎn)生，酯類開始合成，含量逐漸升高。在發(fā)酵中后期的厭氧階段，由于微生物對底物的分解作用減弱，代謝反應(yīng)從以酯分解為主逐步過渡到以酯合成為主，總酯的合成速度近似于總酯的分解速度，最終處于動態(tài)平衡之中并趨于穩(wěn)定[21]。

圖7 酒醅發(fā)酵過程中總酯含量隨時間的變化趨勢Fig.7 The change trend of total ester in the fermented grains during the fermentation

2.5.2 氨態(tài)氮和有效磷的變化

酒醅發(fā)酵過程中的氨態(tài)氮含量及其變化趨勢如圖8所示。氨態(tài)氮在發(fā)酵的前10 d快速下降，由1.71 g/100 g(酒醅)下降至1.25 g/100 g(酒醅)，而后下降速度趨于平緩，第30天之后又快速上升，至第50天達(dá)到最高值1.77 g/100 g(酒醅)，發(fā)酵最后10 d又有所下降。產(chǎn)生這種變化趨勢的原因可能是，發(fā)酵前期原料中的蛋白質(zhì)降解而成的氨基酸，被微生物大量利用，導(dǎo)致酒醅中氨態(tài)氮含量下降。而隨著發(fā)酵過程中酸度的升高，以及酒精的產(chǎn)生，酵母菌和霉菌等活性受到抑制，菌體開始自溶，釋放出氨基酸等物質(zhì)，使得氨態(tài)氮含量又有所升高。產(chǎn)酸菌的持續(xù)利用使氨態(tài)氮在最后10 d又有所下降[8]。

圖8 酒醅發(fā)酵過程中氨態(tài)氮含量隨時間的變化趨勢Fig.8 The change trend of ammonia nitrogen content in the fermented grains during the fermentation

酒醅發(fā)酵過程中的有效磷含量及其變化趨勢如圖9所示。有效磷是細(xì)胞核的組成成分，是微生物生長繁殖的必需物質(zhì)，因此其含量的變化與酒醅中微生物的生長繁殖密切相關(guān)。發(fā)酵前20 d有效磷含量呈緩慢下降的趨勢，由初始值53.70 mg/100 g(酒醅)下降至最低46.28 mg/100 g(酒醅)，之后快速上升，在第30天時達(dá)到最高值64.88 mg/100 g(酒醅)，發(fā)酵的30～60 d有效磷含量趨于平穩(wěn)略有下降。導(dǎo)致這種變化趨勢的原因可能是發(fā)酵前期霉菌和酵母菌快速生長，合成菌體消耗了有效磷導(dǎo)致含量下降，而發(fā)酵中期，由于產(chǎn)物的抑制作用，霉菌和酵母數(shù)量逐漸減少，菌體自溶使得含量再次升高。此外有效磷的來源還包括原料的分解。

圖9 酒醅發(fā)酵過程中有效磷含量隨時間的變化趨勢Fig.9 The change trend of available phosphorus in the fermented grains during the fermentation

2.5.3 粗蛋白的變化

酒醅發(fā)酵過程中的粗蛋白含量及其變化趨勢如圖10所示，發(fā)酵過程中粗蛋白含量呈波動性上升趨勢。隨發(fā)酵的進(jìn)行，其含量由初始11.54 g/100 g(酒醅)逐漸上升至出窖時的15.39 g/100 g(酒醅)，在發(fā)酵第50天酒醅的粗蛋白含量達(dá)到最高值的16.41 g/100 g(酒醅)。這主要是由于菌體的大量生長，某些固氮菌的作用以及糖類物質(zhì)的消耗造成蛋白質(zhì)相對含量的升高。

圖10 酒醅發(fā)酵過程中粗蛋白含量隨時間的變化趨勢Fig.10 The change trend of protein in the fermented grains during the fermentation

3 結(jié)論

本研究對濃香型杜康白酒發(fā)酵酒醅進(jìn)行了分析，測定了其水分、pH值、總酸、還原糖、粗淀粉、酒精含量、總酯、氨態(tài)氮、有效磷和粗蛋白等理化指標(biāo)的變化規(guī)律。其中，主要的變化趨勢表現(xiàn)為：

(1)水分含量在初始時最低，為59.97%，在發(fā)酵前10 d上升至73.70%，之后呈現(xiàn)波動下降。

(2)pH值和總酸含量的變化具有密切相關(guān)性，總酸含量在發(fā)酵前10 d內(nèi)略微下降，第10～20天又急劇上升至1.15 g/100 g，之后趨于平穩(wěn)并略有上升。pH值則在前10 d上升至最高3.89，而后逐漸下降至發(fā)酵結(jié)束。

(3)還原糖和淀粉含量隨發(fā)酵的進(jìn)行都逐漸下降，尤其在前20 d下降最為劇烈，分別由初始1.42和13.12 g/100 g(酒醅)下降至發(fā)酵完成時0.04和9.23 g/100 g(酒醅)。

(4)酒精含量在發(fā)酵前10 d快速上升至94.68 mg/g(酒醅)，之后變化較為平穩(wěn)，略有下降。

(5)總酯含量在前10 d內(nèi)快速上升至最高值8.34 g/100 g(酒醅)，第10～20天急劇下降，之后趨于平穩(wěn)，維持在4.0 g/100 g(酒醅)左右。

(6)氨態(tài)氮隨著發(fā)酵的進(jìn)行，前30 d內(nèi)表現(xiàn)為下降的趨勢，第30～50天逐漸升高到最高值1.77 g/100 g(酒醅)，之后下降直至發(fā)酵結(jié)束。

(7)有效磷在發(fā)酵前20 d逐漸下降至46.28 mg/100 g酒醅，第20～30天快速升高，之后趨于平穩(wěn)。

(8)粗蛋白的含量隨發(fā)酵的進(jìn)行逐漸上升。

發(fā)酵過程中化學(xué)物質(zhì)的變化原因與酒醅中各種微生物的繁殖代謝密切相關(guān)。發(fā)酵初期，由于酵母、霉菌等好氧微生物在微生態(tài)系統(tǒng)中占主體地位，利用酒醅顆粒間隙中的空氣進(jìn)行有氧呼吸，產(chǎn)生的酶分解淀粉和蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)，利用葡萄糖和氨基酸等小分子物質(zhì)進(jìn)行分解代謝以及合成菌體，產(chǎn)生大量的水和乙醇，在此期間釋放出大量的熱量致使發(fā)酵初期溫度急劇升高。同時己酸菌和乳酸菌等功能微生物代謝產(chǎn)生的有機酸同乙醇酯化生成酯類，使己酸乙酯、乳酸乙酯等酯類含量開始升高[22-24]。當(dāng)接近發(fā)酵中期，由于酒醅間隙中的氧氣幾乎消耗殆盡，同時代謝產(chǎn)物的抑制作用使酵母菌和霉菌等菌體數(shù)量減少，產(chǎn)酸菌逐漸成為酒醅中的主體微生物，發(fā)酵開始進(jìn)入產(chǎn)酸階段，通過代謝產(chǎn)生各種有機酸，如乙酸、丁酸等，導(dǎo)致窖池產(chǎn)生高酸度，有機酸又和乙醇通過酯化反應(yīng)產(chǎn)生各種芳香物質(zhì)，直到發(fā)酵后期各種化學(xué)物質(zhì)的含量才基本趨于穩(wěn)定，預(yù)示著發(fā)酵的完成[25-27]。

白酒發(fā)酵非常復(fù)雜，各個發(fā)酵參數(shù)的變化受多種因素的影響。通過跟蹤研究發(fā)酵過程中酒醅理化指標(biāo)的動態(tài)變化，對于傳統(tǒng)白酒酒醅發(fā)酵質(zhì)量的判斷和生產(chǎn)過程控制具有較大的參考價值，對解析濃香型白酒的釀造機制，為濃香型白酒發(fā)酵的機械化和可控化提供理論支持。