高溫高濕環境對酒醅入窖理化指標影響

曾祥林,庹先國1,*,張貴宇1,,3*,范燾1,,3,翟雙,陳霏

1(人工智能四川省重點實驗室,四川 宜賓,644000) 2(四川輕化工大學 自動化與信息工程學院,四川 宜賓,644000) 3(西南科技大學 信息工程學院,四川 綿陽,621010)

固態發酵是中國白酒釀造獨特工藝,酒醅入窖是濃香型白酒釀制工藝中連接攤晾與發酵環節之間的重要技術,適宜的入窖條件為窖池中微生物生長繁殖及代謝活動提供環境,提高酒醅發酵的質量[1-2]。

在熱季高溫高濕的釀造環境中,酒醅在入窖后易出現凝露現象,改變酒醅的理化指標,影響酒醅發酵[3-4]。凝露是指在高溫、高濕的釀造環境中遇到低溫入窖的酒醅時,當入窖酒醅溫度小于環境露點溫度,酒醅表面會發生水珠凝結現象,增加入窖酒醅的水分[5-7]。目前,國內外主要在電力、暖通、農業等方面對凝露現象進行了研究[8-12]。通過控制高壓開關柜[13]、空調、糧堆[14]的內外溫濕度,構建多場時空耦合模型,防止發生凝露現象。入窖的酒醅受高溫高濕環境影響,在2次入窖時間間隔內,窖池的酒醅水分、溫度、酸度等發生改變,破壞酒醅入窖條件。酒醅入窖水分影響酒醅的透氣性、疏松度和溶氧量,入窖水分過高易造成糖化發酵過快,酒醅的比熱、黏度、導熱性增加,溫度上升速率快,酒醅酸度增加；入窖水分過低,酒醅發干影響糟醅正常發酵,酒質味苦糙辣[15]。酒醅入窖溫度直接影響酒質與產量,溫度過高,影響微生物的活力,阻礙發酵；溫度過低,酒醅主發酵時間過長[16]。適宜的入窖酸度有利于糊化與糖化作用,抑制有害雜菌的生長繁殖[17]。國內學者研究了不同香型酒醅的入窖條件[18]、糟醅的發酵機理[19]、溫度微生物[20-21]對酒質的影響等問題,從釀造環境[22-23]、酒醅入窖的理化指標、發酵工藝等方面改善酒體質量。

本文擬研究在高溫高濕環境中,入窖酒醅在2次入窖時間間隔內的含水量、溫度、酸度變化規律。樣品采集于每次入窖后的酒醅,2次入窖時間間隔為第1次酒醅入窖與第2次酒醅入窖的時間差。通過控制不同的入窖溫濕度,研究入窖酒醅理化性質與入窖環境的相互關系,為夏季酒醅入窖提供基礎性指導。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

酒醅樣品采集于宜賓某多糧濃香型酒廠,選取正常生產的2口窖池進行采樣。樣品采集時間2020年6～8月。采樣方法：把待入窖的酒醅放置于自建的濃香型窖池中,把窖池置于溫濕度可控環境內。酒醅入窖后,每隔20 min取樣1次,即酒醅入窖0、20、40、60、80 min采樣,共采樣5次。本實驗采樣于每次入窖后的酒醅,采樣時間為2次入窖時間間隔內,酒醅入窖實驗模擬圖如圖1所示。

圖1 窖池中酒醅每次入窖后模擬圖Fig.1 The simulation diagram of the glutinous rice in the cellar every time it enters the cellar

實驗時采用甑鍋體積大小為0.4,根據自建濃香型窖池尺寸計算得出酒醅入窖厚度為23 cm左右,故分別選擇采集距窖池表面0、5、10、15、20 cm共5種不同距離的酒醅。選取窖池區域5個位置作為采樣點,用符號A1、A2、A3、A4、A5表示,其中符號A、B、C、D、E表示不同窖池深度,取平均值以提高實驗數據準確性。如：酒醅第3次入窖后放置于窖池窖池3號區域,待第4次入窖到來時,測量出第3次入窖酒醅受窖池環境的影響的關系,采樣點如圖2所示。

試劑：0.1 mol/L NaOH溶液、1%酚酞溶液。

圖2 酒醅取樣點示意圖Fig.2 Schematic of sampling sites

1.2 儀器與設備

180 cm×100 cm×120 cm濃香型窖池,自建；智能無線溫度測量儀器,自建；5.0 m×4.0 m×3.0 m溫濕度可控環境,自建；FA2204 N電子天平,上海菁海儀器有限公司；RP-9050A干培兩用箱,上海雙旭電子有限公司；FLIR A615紅外熱成像儀,美國菲力爾公司；DT-8896紅外干濕計,深圳市華盛昌科技實業股份有限公司;Testo6682露點儀,北京中儀聯眾科技開發有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 酒醅溫度測量

選用紅外熱成像儀對窖池內表層酒醅的測量點進行測溫,同時在FLIR Tools+軟件中記錄測量點不同時刻的溫度變化情況,取平均溫度作為表層酒醅的溫度。同時采用智能無線溫度測量儀器分別測量測量點不同深度酒醅的溫度,同一層酒醅的平均溫度作為該層酒醅的最終溫度。

1.3.2 酒醅水分的測定

根據國家標準GB 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》,對酒醅含水量采用直接干燥法進行測定。

1)烘干蒸發皿。將干凈的蒸發皿放入干培兩用箱內,100 ℃烘1 h后取出冷卻至室溫,進行稱重,再烘30 min,再稱重。2次稱蒸發皿質量之差不超過0.005 g,即為蒸發皿的恒重。

2)烘干酒醅。在2次入窖間隔時間(80 min)內,在窖池內以不同時間、不同取樣位置取出酒醅。每個時間點、每個位置取出3份酒醅,每份酒醅質量5 g,并進行標號記錄。將取出酒醅放入干培兩用箱中,100 ℃烘8 h后,取出冷卻至室溫進行稱重。稱完后放入干培兩用箱中進行復烘,每隔1 h取出冷卻稱重,直到相鄰2次烘干后質量差不超過0.005 g。以最后一次稱重質量為酒醅與蒸發皿烘干后的質量,并記錄每份酒醅的烘干后的質量。

3)建立數學模型。根據直接干燥法計算糟醅水分含量，如公式(1)所示：

(1)

式中：m1,干燥前酒醅與蒸發皿的質量;m2,干燥后酒醅與蒸發皿的質量;m3,干燥前酒醅質量。

1.3.3 酒醅酸度測量

酸堿滴定法測定：參照DB 34/T 2264—2014《固態發酵酒醅分析方法》。

1.3.4 窖池環境溫濕度測量

將紅外干濕計放置表層酒醅采樣點位置,紅外干濕計與測量點位置的酒醅表面高度3 cm左右。采用以太網方式實時監測入窖后酒醅的近酒醅表面環境的溫濕度變化情況,以取樣點時間前后1 min為參考時間,取該段時間環境溫濕度的平均值作為該采樣時間的環境溫濕度值。

1.3.5 窖池環境露點溫度測量

把露點儀放置距離近酒醅表面高3 cm位置,測量窖池內近酒醅環境的露點溫度,并實時監測。

1.4 數據分析

采用Origin Pro 9.1.0與Matlab軟件。

2 結果與分析

2.1 酒醅入窖水分變化

酒醅入窖的含水量是白酒固態發酵的主要控制指標之一,是窖內物質物理、生化反應的紐帶。窖池的酒醅水分適宜,不但為窖池中的微生物生存代謝提供適宜條件,而且可以調節窖池內的發酵溫度。入窖水分過高,會使酒醅糊化過度；入窖水分過低,會導致好氧雜菌繁殖旺盛,影響酒的風味[24]。采用控制酒醅與近酒醅環境的溫差方法研究熱季酒醅在高溫高濕的環境中入窖后糟醅的水分變化情況。

2.1.1 入窖酒醅與近酒醅環境間溫差試驗

試驗時,酒醅溫度為22 ℃,含水量為55%,窖池環境相對濕度為85%,改變窖池環境與酒醅間的溫差。分別以5組不同的溫差進行實驗數據采集,每組實驗的溫差分別為0、4、8、14、16 ℃,不同窖池深度的酒醅在2次糟醅入窖時間間隔內(約80 min)的酒醅含水量變化如圖3所示。

圖3 不同溫差時2次入窖時間內酒醅的含水量變化情況Fig.3 Moisture changes of fermented grains in two pit times at different temperature differences

由圖3知,在2次入窖時間間隔內,酒醅的含水量隨溫差與采樣時間變化而變化,溫差越大,采樣時間間隔越久,酒醅含水量越多。同一溫差下采集的實驗樣本,表層的酒醅含水量最多,底層酒醅含水量最少。隨時間變化,表層酒醅的含水量增加速度越快。表層酒醅與近酒醅環境接觸的面積最大,吸收近酒醅環境中遇冷時析出的水蒸氣。而距表層酒醅5、10、15、20 cm深度的酒醅受酒醅的通透性、密度、窖池環境等其他因素影響,不同窖池深度的酒醅與近酒醅環境之間的含水量浸入存在差異。表層酒醅易于與近酒醅環境接觸,吸收近酒醅環境溫度,近酒醅環境析出的水蒸氣降落到酒醅表面,增加酒醅的含水量。表層酒醅水分隨著時間增加浸入到深層酒醅中,使得深層的酒醅的含水量增加,但增量較緩較少。

酒醅與環境之間的溫差與酒醅含水量關系如圖4所示。入窖的酒醅與窖池周圍環境的溫差為0 ℃時,酒醅的水分變化較緩。入窖的酒醅與窖池周圍環境的溫差為8 ℃時,酒醅的水分增加明顯。當入窖的酒醅與窖池周圍環境的溫差為16 ℃時,窖池深度為0 cm的酒醅含水量增加了31.04%,窖池深度為10 cm的酒醅含水量增加了27.94%,窖池深度為20 cm的酒醅含水量增加了22.73%。在同一溫差時,環境相對濕度不變,采樣時間間隔越久,窖池中酒醅含水量越多。窖池周圍環境的溫度與酒醅進行熱交換,低溫的酒醅遇到高溫的環境,酒醅吸收環境的熱量,導致近酒醅環境溫度下降,環境中水分溶解量下降,析出多余的水分降落到酒醅表面。而在高溫高濕的環境中,窖池中的酒醅吸收近酒醅環境的溫度,近酒醅環境降溫,環境中析出的水蒸氣降落到酒醅表面,窖池中酒醅表面溫度也逐漸升高。

2.1.2 不同近酒醅環境相對濕度試驗

熱季白酒釀造車間屬于高溫高濕環境,酒醅溫度為22 ℃,水分含量為55%,窖池環境溫度設定為30 ℃。以窖池環境溫度為定量,改變窖池環境濕度,以60%、70%、80%、90%、95%為相對濕度條件,分別采集不同窖池深度的酒醅含水量試驗數據。不同窖池深度的酒醅在2次糟醅入窖時間間隔內(約80 min)的酒醅含水量變化如圖5所示。

由圖5知,入窖酒醅的含水量隨環境相對濕度與采集時間間隔變化而變化。在2次入窖時間間隔內,環境相對濕度越大、酒醅采樣時間間隔越久,酒醅的含水量增加越多。同一環境濕度、采樣時間,表層酒醅的含水量增加越多。酒醅的含水量與環境的相對濕度差距越大,酒醅含水量增加越大。酒醅在窖池中深度越深,其酒醅含水量的增加量越少。在溫差一定的情況下,高溫高濕的近酒醅環境與入窖酒醅相接觸,酒醅吸收近酒醅環境溫度,近酒醅環境的含水量越高,環境的含水量更易達到飽和狀態,析出的水分越快。其他深度的酒醅受酒醅的物理性質、窖池環境的影響,導致深層酒醅不易吸收環境中水分,酒醅含水量變化較緩。

a-溫差0 ℃;b-溫差4 ℃;c-溫差8 ℃;d-溫差12 ℃;e-溫差16 ℃圖4 5種不同溫差的酒醅含水量變化圖Fig.4 Variations of moisture content in fermented grains with five different temperature differences

圖5 不同相對濕度2次入窖時間內酒醅含水量變化情況Fig.5 Changes of water content of fermented grains in two cellars with different relative humidity

不同深度的酒醅隨環境相對濕度與采樣時間間隔變化的酒醅含水量關系如圖6所示。酒醅入窖的含水量與環境中相對濕度無明顯差別時,酒醅的含水量變化情況不受采集時間間隔的影響。采樣間隔時間一定時,酒醅含水量隨環境的相對濕度增大而增加。當環境相對濕度達到95%時,在2次入窖時間間隔內,窖池深度為0 cm的酒醅含水量達到了87.68%,窖池深度為10 cm的酒醅含水量達到了85.42%,窖池深度為20 cm的酒醅含水量達到了82.76%。同一窖池深度的酒醅,采樣時間間隔不變,環境的相對濕度越大,酒醅含水量增加越快。酒醅入窖時的含水量為55%～58%,環境的相對濕度可調范圍60%～95%,酒醅入窖后與近酒醅環境進行水分偏移,時間越久,酒醅的含水量增加越多。

2.2 酒醅溫度變化

在熱季高溫高濕環境中,酒醅的入窖溫度決定酒醅發酵的質量。入窖溫度過高,造成酒醅發酵速率快且升溫猛,破壞酵母菌繁殖生存條件,同時淀粉損失大,產出酒帶有酸味、苦澀等異雜味[25]。低溫酒醅遇到高溫高濕的環境,酒醅與窖池環境發生熱傳遞現象,入窖后的酒醅出現回溫現象。實驗時,入窖酒醅溫度為22 ℃,環境溫度設為22、26、30、34、38 ℃共5種。記錄在不同環境溫度下,2次酒醅入窖時間間隔內的窖池中酒醅溫度變化情況。入窖后的酒醅在2次入窖時間間隔內(80 min)溫度變化如圖7所示。

由圖7可知,窖池酒醅溫度隨著近酒醅環境溫度增加而增加,酒醅與近酒醅環境的溫差越大,窖池酒醅的溫度回升越快。試驗發現,上層酒醅溫度比中層、底層酒醅溫度高,近酒醅環境溫度38 ℃時,酒醅溫度達到了最大值30.4 ℃。酒糟在2次入窖時間間隔內(80 min)受近酒醅環境影響產生回溫,導致窖池周圍環境溫度變化,酒糟最終達到另一個溫度值T。該過程主要存在2種原因導致酒醅升溫,一是酒醅中微生物生長及糖化酶作用影響,該因素在酒醅入窖后80 min內酒醅處于即將發酵階段,升溫較小,幾乎可以忽略;另一主要原因是低溫入窖的酒醅遇到高溫的近酒醅環境所產生的熱傳導現象,增加了酒醅的溫度,這個主要原因有如公式(2)所示：

a-0 cm;b-5 cm;c-10 cm;d-15 cm; e-20 cm圖6 5種不同窖池深度的酒醅含水量變化圖Fig.6 Variation of water content of mash with five different pit depths

圖7 2次入窖時間間隔內酒醅溫度變化Fig.7 Temperature change of fermented grains within the time interval of two pit entry

H=M×CP(T-T0)

(2)

式中：M為酒糟質量,g；T為第2次酒糟入窖第1次入窖酒糟的溫度,℃；T0為酒糟入窖時初始溫度,℃；CP為窖池環境比熱容，J/(kg·℃)；H為酒醅吸熱量,J。

根據能量守恒定律,忽略損失能量,酒糟吸收熱量近似等于環境釋放放熱,如公式(3)所示：

mCP,EΔT+mΔCHΔX=MCP(T-T0)

(3)

式中：m為近酒醅窖池周圍氣體質量,g;CP,E為窖池周圍環境比熱容，J/(kg·℃)；ΔCH為水蒸氣潛熱,J/mol；ΔX為空氣絕對濕度變化,g/m3；ΔT為溫度變化情況,℃。

在增加近酒醅環境溫度同時,提高了窖池中的酒醅與近酒醅環境的溫差,增加二者之間熱傳導速率,使其二者溫差越大,窖池中的酒醅溫度增長得越快。由傅里葉導熱定律[26]如公式(4)所示：

(4)

式中：Q為導熱速率,W；λ為導熱系數,W/(m·℃)；S為導熱面積,m2；dt/dn為溫度梯度,℃/m。

導熱速率與導熱系數、導熱面積、溫度梯度呈正相關,在2次酒醅入窖時間間隔內,酒醅的導熱速率與溫差相關。

2.3 酒醅酸度變化

入窖酒醅在一定的酸度條件下,能夠抑制雜菌的生長,為微生物的生長繁殖提供一個良好的環境,保證窖池內糟醅發酵的正常進行。酸度過高會抑制酵母菌的活性從而影響出酒率,酸度過低則會導致雜菌的大量繁殖,升溫過快,影響糖化,進而影響酒體質量[27]。在高溫高濕環境中,入窖酒醅的酸度由酒醅溫濕度、窖池環境等因素決定。表層酒醅易與空氣接觸,水分增加量較大,為酒醅中好氧細菌提供適宜的生存代謝環境,加快其代謝速度,導致酸度增加。窖池深度越深,酒醅水分含量增幅小且好氧細菌不易與空氣接觸,無法充分提供適宜的代謝環境,酸度變化不明顯。表層入窖后的酒醅在2次入窖時間間隔內酸度變化如圖8所示。

圖8 不同窖池深度與含水量的酒醅酸度變化Fig.8 Variation of mash acidity with different pit depth and water content

3 結論

熱季酒醅在2次入窖時間內易吸收近酒醅環境的溫濕度,改變窖池內酒醅的溫度與水分,破壞了酒醅入窖條件。結果表明,窖池內酒醅的理化指標隨酒醅與近酒醅環境的溫差、近酒醅環境溫濕度變化而變化。溫差越大,近酒醅環境溫濕度越高,酒醅入窖的溫度與含水量增加越多。在同一時間內,隨著酒醅深度的增加,酒醅的溫度與含水量增加逐漸減緩,底層酒醅增加量最少。試驗時,酒醅溫度最高上升8.4 ℃,含水量最大增加30%左右。酒醅入窖酸度與入窖水分增加正相關,酒醅含水量增加將嚴重影響酒醅發酵。本研究揭示了熱季酒醅在2次入窖時間間隔內溫度、含水量、酸度變化情況,對研究熱季酒醅入窖、發酵等工藝具有一定的借鑒意義。