基于CO2濃度的固態發酵在線監測白酒品質的方法

李慧娟，金元浩*，李群慶，張宿義，林 鋒，秦 輝，蔡小波，黃孟陽

（1.清華大學 物理系 清華-富士康納米科技研究中心，北京 100084；2.清華大學-瀘州老窖智能檢測聯合研究中心，北京 100084；3.瀘州老窖股份有限公司，四川 瀘州 646000）

白酒釀造中的固態發酵過程涉及多種微生物的生長變化及新陳代謝，形成復雜的微生物系統并具有明顯的非線性與時變特征[1-2]。有研究表明，白酒釀造過程中入罐糟酸度、淀粉度以及水分等理化參數的變化會直接影響參與發酵的微生物生長和代謝[3-7]。對固態發酵過程的優化控制和反饋調整直接關系到發酵產物的產率，進而影響蒸餾摘酒后原酒品質[8-10]。因此，如何在不影響發酵環境的前提下，對固態發酵過程進行實時監測成為了目前該領域研究的重點問題，且對實際生產應用具有重要的指導意義[11-13]。

在通常的情況下，發酵裝置作為一個封閉的系統，較難在不影響發酵環境的情況下實現頻繁的采樣檢測。同時，這種采樣離線分析的方法普遍具有一定時間上的延遲，操作較為繁雜且無法實現對發酵過程的實時監測[14-15]。而在目前已有應用的在線監測方法中，多數集中在對于發酵溫度等間接參量的觀察方面，或通過發酵過程結束后得到的原酒質量來評價發酵過程，缺乏對于直接反映發酵狀態的生物參量（如微生物濃度、產物濃度）進行實時在線監測的方法和技術手段[16-18]。這種檢測方法上的不足也讓全面、準確評估發酵罐內的發酵情況變得非常困難，也無法進一步研究發酵過程的實時變化[19-22]。研究表明，發酵過程中產生的代謝氣體濃度變化揭示了整個發酵過程的基質代謝流向，可以反映發酵過程中微生物的生長情況，并影響最終產物的生成[23-24]。因此，從理論上來說，通過對發酵過程代謝氣體數據的實時觀測，可以實現對發酵過程的狀態變化進行表征和監測，并為優化發酵工藝過程提供數據支撐[25]。

基于此，本研究釀造小曲清香型白酒，分別考察不同熟糧與糠殼體積比（糧糠比）（1∶4、1∶1、4∶1）及水分含量（48%、55%、59%和63%）入罐糟發酵過程中CO2含量與產酒情況，提出基于CO2濃度的固態發酵在線監測白酒品質的方法。以期為進一步為全面、準確判斷固態發酵狀態、合理調整配糟和提高原酒品質提供數據基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

釀酒曲：安琪酵母股份有限公司；高粱粉：產地為瀘州；糠殼：由瀘州老窖股份有限公司提供。

1.2 儀器與設備

FZ800-CO2便攜式CO2氣體檢測儀：淮安孚淮環保科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 小曲清香型白酒的釀造工藝流程及操作要點

操作要點：

清蒸糠殼的制備：殼裝入甑桶內進行蒸糠，穿汽后繼續蒸30 min，清蒸結束后將糠殼挖出攤平，自然冷卻后備用。

取適量（又稱投糧量）的高粱粉加入40 ℃溫水拌勻，堆積成圓錐形在室溫環境下靜待30 min潤糧；潤糧結束后進行上甑蒸糧過程，蒸糧溫度為100 ℃，蒸糧時間為甑桶內高粱穿大汽后繼續蒸25 min，使高粱熟透無生心，經此蒸糧操作后的高粱又稱為熟糧；然后取出甑桶內蒸熟后的糧糟加90 ℃量水后將糧糟打散進行攤晾至糧糟溫度為35～40 ℃；0.5%投糧量的小曲撒于糧糟表面后拌勻，將下曲后的糧糟拌勻后收堆呈錐形，表面覆蓋糠殼進行保溫糖化約3 h；糖化結束后將設置好體積比的糧糟和糠殼拌勻，其中糠殼作為釀酒輔料使糟醅具有一定的疏松度和含氧量，可以增加酒糟與空氣間的接觸面積，并可降低糟醅酸度[26-28]，溫度為22 ℃后將糟醅輕裝入20 L不銹鋼發酵罐內，滿罐后將其蓋密封進行為期7 d的固態發酵；發酵結束滴黃水，然后進行上甑環節，上甑時先在甑底撒一層糠殼，再撒入糟醅，上甑過程做到輕撒勻鋪，探汽上甑，在出酒口用燒杯收集原酒。

1.3.2 入罐糟參數的實驗設計

（1）不同熟糧與糠殼體積比入罐糟發酵過程中CO2含量的變化特征及產酒情況

分別配制熟糧與糠殼體積比（糧糠比）為1∶4（對應投糧量750 g，糠殼用量520 g）、1∶1（對應投糧量1 500 g，糠殼用量260 g）和4∶1（對應投糧量1 500 g，糠殼用量65 g）3組入罐糟。在相同的環境條件下，將3組入罐糟分別放入密封發酵罐內進行固態發酵，并在線實時監測其所產生的CO2濃度在一個發酵周期內（共7 d）的變化。發酵結束后，對各實驗組的出罐糟進行蒸餾摘酒，測定產酒情況。

（2）不同水分含量入罐糟發酵過程中CO2含量的變化特征及產酒情況

清蒸除雜后的糠殼作為釀酒輔料使糟醅具有一定的疏松度和含氧量，可以增加酒糟與空氣間的接觸面積，并可降低糟醅酸度[27-29]，固定糧糠比為1∶1的條件下，在熟糧攤晾時加不同量的量水來制成不同水分含量入罐糟（水分含量分別為48%、55%、59%和63%）。在相同的環境條件下，將4組入罐糟分別放入密封發酵罐內進行固態發酵，并在線實時監測一個發酵周期內CO2濃度的變化。發酵期結束后，對各實驗組的出罐糟進行蒸餾摘酒，測定產酒情況。

1.3.3 CO2含量的檢測

通過密封橡膠塞和橡膠管在發酵罐蓋子中間的小孔中連接便攜式CO2檢測儀，具體操作為在橡膠塞上打3個小孔，其中兩個接入橡膠管，橡膠管一邊開口在罐內酒糟上層氣體空間（不與酒糟接觸），另一端開口分別接CO2檢測儀的進氣口和出氣口，第3個孔內插入單向排氣閥保證測量過程中發酵罐內氣壓恒定。整個發酵過程中CO2檢測儀保持運行狀態，并自動保存發酵罐內CO2含量數據。

1.3.4 酒精度的測定

摘酒過程中每得100 mL原酒，即用酒度計和溫度計測量得到酒精度和對應原酒溫度，根據《酒精溫度計濃度換算表》可得到20 ℃酒精度，同時換算酒精度為60%vol的出酒率，其計算公式如下：

2 結果與分析

2.1 不同糧糠比入罐糟發酵過程中CO2含量變化特征

將3組不同糧糠比的入罐糟，在相同的環境條件下分別放入連接有CO2濃度檢測儀的密封發酵罐內進行固態發酵。設置數據采樣間隔為60 min，測量得到在一個發酵周期內CO2含量變化曲線（見圖1）。由圖1可知，在發酵前期（發酵第1天），3組入罐糟在發酵過程中所產生的CO2含量均呈現快速上升的趨勢；在發酵中期（發酵第2～3天），CO2含量保持穩定；在發酵后期（發酵第4～7天），CO2含量稍有回落。其中，糧糠比為1∶1的入罐糟在發酵過程中所產生的CO2含量在整個發酵過程中最高，其主要原因是，在糧糠比設置較為合適時，酒糟間氧氣含量較多，使得發酵過程中微生物有氧呼吸增加，酒糟中淀粉充分發酵，由蒸餾后原酒質量參數可以判斷本組固態發酵狀態較為正常[4]。

圖1 不同糧糠比入罐糟在一個發酵周期內所產CO2含量變化Fig.1 Changes of CO2 content produced by fermented grains in fermenter with different grain to bran ratios in a fermentation cycle

入罐糟的糧糠比為4∶1時，發酵前期產生的CO2含量上升速度略微變緩，表明發酵前期微生物生長繁殖稍有減弱。其主要原因是該組入罐糟糧多糠少，淀粉含量比例高，酒糟間氧氣含量變少，酵母菌代謝不充分；在發酵中期，CO2含量保持穩定且比糧糠比為1∶1的實驗組整體CO2含量稍低一些；在發酵后期，CO2含量稍有回落。當糧糠比為1∶4時，發酵前期微生物繁殖明顯減弱，CO2含量上升十分緩慢，發酵中后期CO2含量明顯下降，發酵過程變緩。主要原因是入罐糟中糧食含量較少，糠殼比例較大，酒糟整體較為干燥，不利于微生物生長繁殖，甚至在發酵中后期微生物過早衰亡[23]。

2.2 不同糧糠比條件下釀造原酒酒精度及出酒率檢測結果

發酵結束后，對3組實驗中得到的酒糟分別進行蒸餾摘酒，其對應原酒酒精度及出酒率檢測結果見表1。由表1可知，糧糠比為4∶1的酒糟蒸餾后得到的原酒20 ℃酒精度和60%vol出酒率最低，其主要原因是在糧食比例過高時，微生物會利用多余營養物質生長繁殖，優勢菌體反而抑制酵母菌代謝活動，抑制發酵過程。又因糠殼含量較少導致酒糟緊致，孔隙度較低，進一步地抑制了酵母菌的發酵[4]。當糧糠比為1∶1時，得到原酒20 ℃酒精度最高，為65%vol，此時，出酒率也相對較高，為19.5%，根據原酒的酒精度和較高的出酒率可以判斷為正常的發酵狀態。當糧糠體積比為1∶4時，與糧糠比為1∶1的條件下相比，原酒出酒率提高了2.7%，但酒精度下降了3.7%vol，主要原因是酒糟整體較為干燥，不利于正常發酵，且糠殼含量過高，酒糟疏松，蒸餾時更容易穿汽[23]。

表1 不同糧糠比條件下釀造原酒酒精度及出酒率檢測結果Table 1 Detection results of alcohol content and liquor yield of original liquor under different grain and bran ratios conditions

結合上述蒸餾后得到的原酒質量參數可以看出，在正常發酵時，發酵產生的CO2含量均呈現前期快速上升、中間期緩慢上升且中后期稍有回落的變化規律，此時得到的原酒質量也較高。而當發酵過程中CO2含量前期上升速率較慢（降幅＞50%）或中后期含量呈明顯降低趨勢時（降幅＞10%），表明發酵異常，所得原酒質量也會受到影響。這樣，通過對固態發酵過程中所產生的CO2含量進行在線監測，可以對發酵過程實現實時評測，有助于提高發酵質量和原酒品質。

2.3 不同水分含量入罐糟發酵過程中CO2含量變化特征

不同水分含量的入罐糟分別放入連接有CO2濃度檢測儀的密封發酵罐內進行固態發酵，其數據采集的間隔時間同為60 min，測量得到一個發酵周期內CO2含量變化（見圖2）。由圖2可知，對于不同水分含量的入罐糟來說，在封罐后的固態發酵環節，其CO2含量依然呈現快速上升至穩定，然后在發酵后期呈緩慢下降的趨勢，而對不同水分含量的入罐糟來說，其CO2含量上升速度有所區別。其中，水分含量為55%的入罐糟在發酵前期CO2含量上升速度最快，這也反應了在這些不同水分含量的入罐糟中，發酵過程的速度和代謝產物均有著明顯的不同。

圖2 不同水分含量入罐糟在一個發酵周期內所產CO2含量變化Fig.2 Changes of CO2 content produced by fermented grains with different water content in fermenter in a fermentation cycle

當入罐糟水分含量為55%時，在發酵前期呈快速上升趨勢，發酵中期時所產生的CO2含量穩定在最高值（約為89%），發酵后期CO2含量稍有回落；當入罐糟水分含量為48%時，發酵前期CO2含量上升減緩，發酵產生的CO2氣體含量減少，且在發酵中后期出現二次峰值，這主要是過于干燥的環境使得有關耐干燥的微生物二次生長所導致[12]；當入罐糟水分含量為59%時，發酵前期CO2含量上升速度也有所減緩，發酵中期時CO2含量穩定值相比于入罐糟水分含量為55%時也有所減少，這主要是由于酒糟水分含量增加時，微生物生長代謝減緩[23]，發酵后期CO2含量稍有回落；當入罐糟水分含量為63%時，CO2含量在發酵前期快速上升，發酵中期穩定在較高值（約為87%），但在發酵后期出現二次峰值，主要是過于潮濕的環境使得喜水的微生物二次生長導致[12]，這也抑制酵母菌的生長代謝。因此，入罐糟水分含量過高會影響酒糟正常發酵，最終影響原酒質量。

發酵結束后，取出這4組發酵實驗的酒糟進行蒸餾摘酒，不同入罐糟水分含量條件下產出的原酒參數酒精度及出酒率的檢測結果見表2。由表2可知，當水分含量為48%時，出酒率較低為14.2%，酒精度為69.1%vol，其原因可能是引起耐干燥微生物的二次生長，從而抑制酵母菌代謝活動[12]，且水分含量的減少會降低微生物生長和代謝活性，使得淀粉利用不充分[4]。當入罐糟水分含量為55%時，原酒酒精度為61.6%vol，出酒率最高為18%。此條件下，CO2含量上升較快且含量較高，表明微生物代謝旺盛且維持至發酵結束。當入罐糟水分含量為59%時，原酒酒精度和出酒率都明顯降低，主要原因是水分含量的增加會稀釋微生物的代謝產物，部分溶于水的物質會隨黃水滲入發酵罐底部，從而影響原酒質量[4]。當水分含量為63%時，甚至會引起另外一部分耐潮濕環境微生物的二次生長，從而抑制酵母菌代謝活動[12]。

對于不同水分含量的入罐糟，在發酵過程中CO2含量均呈現前期快速上升、中期緩慢上升和中后期稍有回落的變化規律。當CO2含量變化曲線前期上升速率大幅減緩（降幅＞50%）或中后期CO2含量明顯降低（降幅＞10%），表明發酵異常，所得原酒質量也會受到影響。當CO2含量前期上升速率大幅減緩時，對應60%vol出酒率從18%下降到14.2%。而中后期CO2含量明顯降低時，其20℃酒精度下降了3.8%vol。在該條件下，均可判定為發酵異常。

3 結論

本研究對不同糧糠比和水分含量酒糟固態發酵過程代謝CO2氣體進行實時監測，并對其原酒產酒情況進行分析。結果表明，不同糧糠比入罐糟在固態發酵過程中，其CO2濃度呈前期快速上升、中期保持穩定和后期緩慢下降的特點，糧糠比為1∶1的入罐糟在發酵過程中所產生的CO2含量在整個發酵過程中最高，酒精度及出酒率均最高，分別為65%vol、19.5%。不同水分含量的入罐糟在固態發酵過程中，CO2含量在發酵前期呈快速上升趨勢至發酵中器趨于穩定，在發酵中后期呈緩慢下降的趨勢，且水分含量為55%的入罐糟在發酵前期CO2含量上升速度最快，此時，原酒酒精度及出酒率均最高，分別為61.6%vol、18.0%。該檢測方法可以直接反映密閉發酵環境中微生物的生長代謝狀況及發酵狀態，且避免了頻繁采樣進行離線檢測對發酵環境造成的破壞和時間延遲。通過對代謝氣體CO2濃度變化觀察，可以實現對固態發酵過程的實時監測。這種對于發酵代謝氣體的實時監測可為合理調整配糟提供數據依據，從而達到精準配料和提高原酒品質的目的。