余培斌，陳丙友，陳建新

1(工業(yè)生物技術(shù)教育部重點實驗室(江南大學(xué))，江蘇 無錫，214122)2(糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國家工程實驗室(江南大學(xué))，江蘇 無錫，214122)3(江南大學(xué) 生物工程學(xué)院，江蘇 無錫，214122)

在發(fā)酵工業(yè)中，溫度是最重要的控制指標(biāo)之一。白酒釀造屬于固態(tài)厭氧發(fā)酵，酒醅充當(dāng)著微生物生長培養(yǎng)基的角色。酒醅溫度直接影響著微生物種類變化和代謝產(chǎn)物的生成和積累[1]。白酒按照香型可以分為：濃香型、醬香型、清香型、芝麻香型等多種。其中清香型白酒以清香純正，余味爽凈而深受消費者的喜愛，其釀造工藝特點是“清蒸清茬、地缸發(fā)酵、清蒸二次清”[2-3]。不同于其他香型白酒采用窖池發(fā)酵，清香型白酒多采用地缸作為發(fā)酵容器。發(fā)酵過程中酒醅的溫度取決于入缸時酒醅的初始溫度、發(fā)酵時微生物的代謝強度和環(huán)境溫度的綜合作用。酒醅溫度是決定白酒質(zhì)量和產(chǎn)量的重要因素[4-5]。張鑫采用地上不銹鋼槽控制環(huán)境溫度的方式進(jìn)行清香型白酒的發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)溫度變化與傳統(tǒng)發(fā)酵過程不同，出酒率和酒質(zhì)也不同，酸度略高[6]；朱引保等采用降地溫的方式控制汾酒生產(chǎn)，發(fā)現(xiàn)控溫發(fā)酵下出酒率高出0.66%， 優(yōu)質(zhì)酒率高出 6.18%[7]。李澤霞等采用恒溫和變溫2種方式對機械化釀酒車間發(fā)酵室溫度進(jìn)行調(diào)控，結(jié)果顯示，采用變溫調(diào)控發(fā)酵的酒醅發(fā)酵快，頂火溫度高，酸度高，淀粉消耗速度快，酒精度低，蒸餾所得白酒中主體風(fēng)味物質(zhì)含量提高，酒體醇厚度和協(xié)調(diào)度好，感官質(zhì)量較好[8]。

近幾年由中國釀酒工業(yè)協(xié)會牽頭的“白酒 158 計劃”正式啟動。該項目以實現(xiàn)中國白酒企業(yè)“自動化控制，機械化生產(chǎn)”為總體目標(biāo)，針對白酒行業(yè)機械化的研究也逐漸增多[9-12]。由于白酒香型眾多，目前只有鼓香型、米香型白酒轉(zhuǎn)為液態(tài)發(fā)酵，可以完全實現(xiàn)機械化[13-14]。主要香型中濃香型白酒對窖泥依賴程度高，目前還無法脫離窖池發(fā)酵，醬香型白酒窖底和封窖仍為窖泥，發(fā)酵過程復(fù)雜，糟醅需高溫堆積，尤其是糟醅分層出窖、分層蒸餾的工藝使得其機械化出窖難度較大[15]。清香型白酒采用地缸發(fā)酵，不依賴窖泥，是最易實現(xiàn)機械化的[16-19]。準(zhǔn)確理解發(fā)酵過程中酒醅溫度變化規(guī)律及其對酒醅理化指標(biāo)的影響是實現(xiàn)清香型白酒機械化的前提。本研究以清香型白酒實際生產(chǎn)中的酒醅為研究對象，研究地缸發(fā)酵過程中酒醅溫度及理化指標(biāo)的變化規(guī)律，為設(shè)計白酒發(fā)酵設(shè)備提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

無水乙醇、葡萄糖、濃HCl、NaOH、鄰苯二甲酸氫鉀、酚酞、CuSO4、酒石酸鉀鈉、葡萄糖、亞甲基藍(lán)、正丙醇(分析純)：國藥集團化學(xué)試劑有限公司；內(nèi)標(biāo)乙酸正戊酯(色譜純)：上海阿拉丁試劑有限公司。

DS1922L紐扣式溫度記錄儀，上海沃第森電子科技有限公司；島津2010-plus氣相色譜儀，日本島津公司；Bruker SCION SQ 456GC-MS氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，美國Bruker公司；SIN-R200D/ Pt100無紙記錄儀/溫度探頭，杭州聯(lián)測自動化技術(shù)有限公司；YQX-Ⅱ厭氧培養(yǎng)箱，上海龍躍儀器設(shè)備有限公司；SHZ-D循環(huán)水式真空泵，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；BSP-250生化培養(yǎng)箱，上海博訊實業(yè)有限公司。

1.2 溫度測定及酒醅取樣方法

選取實際生產(chǎn)中的若干地缸及地缸周邊土壤，在大楂落缸時均勻放入9顆紐扣式溫度記錄儀。溫度計位置的安排：地缸中有上(S)、中(Z)、下(X)三層，每層分里(L)、間(J)、外(W)3個位置；土壤中測定上(TS)、中(TZ)和下(TX)；在距離發(fā)酵地缸群的1.5 m 測定周圍土壤的溫度，分別為上(BTS)、中(BTZ)、下(BTX)。地缸結(jié)構(gòu)及測溫點安排如圖1所示。紐扣式溫度記錄儀設(shè)置每30 min記錄1次溫度，待發(fā)酵結(jié)束后取出溫度記錄儀讀取溫度數(shù)據(jù)。

不同發(fā)酵對時酒醅取樣方法：使用特制取樣鏟分別于酒醅入缸發(fā)酵后的第1,3,5,7,9,12,16,20,24,28天按照圖1測溫點位置取酒醅樣品500 g，迅速放入冰箱冷凍室，集中測試分析。

圖1 地缸尺寸及測溫點安排Fig.1 Cylinder size and the arrangement of sampling points

1.3 理化分析

酸度的測定：酸堿中和法[20]；淀粉含量和還原糖的測定：菲林試劑法[21]。

酒度的測定[22]：酒醅乙醇的提取，稱取10 g酒醅樣品加入100 mL蒸餾水置于電爐上加熱蒸餾，待餾出液達(dá)到50 mL時，加入白酒內(nèi)標(biāo)1 mL定容到100 mL，待上機測定。

GC分析方法及條件：檢測器：氫火焰離子化檢測器；色譜柱：HP-PLOT/Q(15 m×0.230 mm×20 μm)；程序升溫：40 ℃保持2 min，以4 ℃/min升至220 ℃保持10 min，進(jìn)樣口溫度為200 ℃；進(jìn)樣量1 μL；分流比20∶1；檢測器溫度220 ℃。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)酵酒醅溫度變化總趨勢

清香型白酒發(fā)酵采用地缸式固態(tài)發(fā)酵，由于地缸周圍窖泥及缸口保溫材料等諸多因素的影響，同一地缸內(nèi)不同部位酒醅的溫度必定有差異。取釀酒車間內(nèi)不同位置5～6個地缸按照圖1所示測溫點安放紐扣溫度記錄儀，發(fā)酵結(jié)束后讀取溫度數(shù)據(jù)，鑒于溫度數(shù)據(jù)較多，相同位置溫度取平均值作圖2。

圖2 酒醅溫度變化總趨勢Fig.2 The general trend of the temperature change of the fermented grains注：S、Z、X分別表示上層、中層、下層； L、J、W分別表示缸軸心處、缸軸心與缸內(nèi)邊的中點、缸內(nèi)邊處；SL表示上層中心處測溫點，下同。

從圖2可以看出:(1)地缸發(fā)酵過程酒醅溫度存在不均勻變化，其中處于地缸中部的酒醅溫度變化幅度大，處于外部的酒醅溫度變化幅度小，相互之間存在明顯的差異。此外，相對而言，地缸底部溫度相對較低，上部較高，而中部最高。(2)酒醅溫度差異主要表現(xiàn)在發(fā)酵的頂火時期，到發(fā)酵中后期各部分溫度趨于相同。因此，可以認(rèn)為造成溫度變化的主因是微生物的代謝活動產(chǎn)生的生物熱量較大，而酒醅的傳熱能力相對較弱，引起地缸中部熱量累積。(3)酒醅在整個發(fā)酵過程的大部分時間都處于20～25 ℃，只有中部在較小的時間段內(nèi)處于更高的溫度，因此可以認(rèn)為清香型白酒發(fā)酵屬于中溫發(fā)酵，但是中部酒醅的高溫發(fā)酵對酒的風(fēng)味的影響尚需詳細(xì)研究。(4)在酒醅入缸后，酒醅要經(jīng)過2～3 d的延遲期(在延遲期內(nèi)酒醅溫度升高速度慢)后，酒醅溫度迅速升高達(dá)到頂火。(5)酒醅以相同溫度入缸后，下層酒醅溫度在短時間內(nèi)小幅度升高，使下層酒醅溫度明顯高于中上層酒醅溫度，這有可能是因為下層酒醅附近的土層屬于深層土，深層土的溫度較中上層高，下層酒醅入缸后迅速吸收附近土層的熱量從而升高溫度。

2.2 季節(jié)和環(huán)境影響發(fā)酵酒醅溫度變化規(guī)律的差異分析

在清香型白酒固態(tài)發(fā)酵過程中，地缸所處的不同地理位置，不同發(fā)酵季節(jié)都會對地缸內(nèi)酒醅發(fā)酵溫度產(chǎn)生影響，地缸內(nèi)酒醅的發(fā)酵溫度變化規(guī)律也會隨之改變。在同一釀酒車間分別于冬季和夏季2個發(fā)酵季節(jié)取內(nèi)缸和邊缸各5～6個，按照圖1測溫點安放紐扣溫度記錄儀，發(fā)酵結(jié)束后讀取溫度數(shù)據(jù)，取相同位置5～6個溫度數(shù)值的平均值作圖3。

對比圖3中冬季發(fā)酵內(nèi)缸a、冬季發(fā)酵邊缸b、夏季發(fā)酵內(nèi)缸c和夏季發(fā)酵邊缸d四種不同情況酒醅發(fā)酵溫度的變化可以得出以下結(jié)論：(1)在同一地缸相同位置的酒醅，夏季酒醅的頂火溫度要高于冬季酒醅頂火溫度2～3 ℃。(2)在酒醅入缸經(jīng)過延遲期后酒醅溫度開始迅速上升，夏季酒醅溫度升高的速度要明顯大于冬季酒醅，達(dá)到頂火后夏季酒醅溫度回落的速度也大于冬季酒醅，夏季酒醅溫度在頂火溫度附近停留的時間較短。(3)在到達(dá)發(fā)酵中后期時，酒醅溫度逐漸趨于穩(wěn)定，冬季酒醅的最終溫度一般可達(dá)到22 ℃左右，低于夏季的最終溫度24 ℃。(4)當(dāng)?shù)竭_(dá)發(fā)酵后期時，冬季同一地缸不同位置酒醅最大溫差為2 ℃左右，而夏季發(fā)酵過程中同一地缸不同位置酒醅最大溫差可達(dá)5 ℃左右。(5)在相同季節(jié)同一發(fā)酵時期，地缸內(nèi)相同位置測溫點，內(nèi)缸酒醅發(fā)酵溫度明顯高于外缸酒醅發(fā)酵溫度，這種現(xiàn)象在冬季發(fā)酵過程中更為顯著。(6)在酒醅入缸后，酒醅溫度都會經(jīng)過延遲期后才開始迅速上升，外缸酒醅的延遲期要明顯長于內(nèi)缸酒醅1～2 d。

分析原因為：夏季環(huán)境溫度較高，酒醅入缸后受環(huán)境溫度和微生物代謝作用的雙重影響，酒醅溫度較冬季提前進(jìn)入頂火時期且頂火溫度較高。發(fā)酵后期溫度趨于穩(wěn)定時，酒醅的溫度受微生物代謝作用影響減弱，酒醅的溫度主要取決于環(huán)境溫度，因此夏季高于冬季2～3 ℃。

a-冬季內(nèi)缸，b-冬季邊缸，c-夏季內(nèi)缸，d-夏季邊缸圖3 不同季節(jié)、環(huán)境酒醅溫度的變化對比Fig.3 The comparison of the temperature changes of fermented grains in different seasons and environment

2.3 地缸內(nèi)部酒醅的溫度分布狀況

在清香型白酒地缸發(fā)酵過程中，地溫和缸口保溫材料都會對酒醅溫度產(chǎn)生影響，但由于缸的尺寸固定，同一地缸中不同位置的酒醅溫度受外界環(huán)境的影響程度不同；再加之地缸不同部位含氧量、含水率等因素的不同，導(dǎo)致同一地缸內(nèi)不同部位酒醅溫度存在差異?，F(xiàn)測定四口處于不同位置和季節(jié)的地缸內(nèi)不同位置的酒醅溫度，將四口缸中SL、ZL點酒醅溫度變化；SJ、ZJ點酒醅溫度變化；SW、ZW點酒醅溫度變化；XL、XJ和XW點酒醅溫度變化分別歸類作圖，如圖4所示。

從圖4可以看出，(1) 不同地缸內(nèi)相同部位的酒醅溫度變化趨勢基本相同，同一地缸內(nèi)不同部位酒醅溫度存在較大差異，酒醅內(nèi)存在溫度梯度。(2) 地缸內(nèi)SL、ZL點的酒醅頂火溫度最高，為32～36 ℃，其次是SW、ZW點的頂火溫度30～34 ℃，而SW、ZW、XL、XJ和XW點的頂火溫度較低，為23～28 ℃，說明地缸內(nèi)酒醅距離地缸內(nèi)壁距離越小，溫度越低。(3)地缸內(nèi)部SL、ZL、SJ、和ZJ點酒醅的溫度和變化趨勢較接近，而SW、ZW、XL、XJ和XW點酒醅的溫度和變化趨勢較接近。(4)同一地缸內(nèi)最大溫差可達(dá)10 ℃。

分析原因為：上表面氧氣濃度較高，微生物有氧呼吸代謝較旺盛，產(chǎn)熱較多，所以上部中間及里層溫度較高。SW、ZW和XW點酒醅溫度低于同一平面層其他測溫點溫度是因為：地缸周邊酒醅距離土壤較近，土壤溫度低于發(fā)酵過程中的酒醅溫度，由于傳熱，酒醅的溫度有所降低。

a-SL、ZL發(fā)酵溫度；b-SJ、ZJ發(fā)酵溫度；c-SW、ZW發(fā)酵溫度；d-XJ、XL、XW發(fā)酵溫度。圖4 不同位置酒醅溫度變化對比Fig.4 The comparison of the temperature change of fermented grains at different position注：1、2、3、4表示不同的缸。

2.4 發(fā)酵過程中地缸周圍土壤的溫度變化規(guī)律

清香型白酒采用固態(tài)地缸發(fā)酵，地缸周圍土壤與地缸外表面的接觸面是一個熱量交換面，酒醅和地缸之間熱量通過地缸壁進(jìn)行傳遞，達(dá)到一種熱平衡。酒醅入缸后，地溫、入缸溫度和酒醅微生物的代謝產(chǎn)熱，相互作用相互補充，共同為酒醅微生物的生長提供適宜溫度。因此，研究地溫與酒醅溫度的相關(guān)性對清香型白酒的生產(chǎn)具有重要作用。根據(jù)清香型白酒的實際生產(chǎn)經(jīng)驗，每年3～4、11～12月份酒的質(zhì)量和產(chǎn)量較高，為釀酒的最佳時節(jié)，此時的地表溫度在8～15 ℃。本研究將12月份生產(chǎn)的清香型白酒的酒醅溫度、地溫和遠(yuǎn)離地缸群的地溫變化規(guī)律作圖5。

結(jié)合圖5數(shù)據(jù)分析可以得出以下結(jié)論：(1)地缸周圍地溫隨酒醅溫度變化而變化，地缸周圍土壤并沒有產(chǎn)熱來源，所以地缸周圍土壤是因為吸收了酒醅中的大量熱量而升高溫度。(2)與酒醅相比，地缸周圍的土壤溫度變化幅度相對較小，但與酒醅有相同的變化趨勢，在時間上相對滯后。酒醅SW、ZW、XW點的最高溫度比同一水平面對應(yīng)土壤溫度TS、TZ、TX點的最高溫度高1 ℃左右。TS、TZ、TX點的溫度延遲對應(yīng)點SW、ZW、XW的酒醅溫度。(3)在酒醅入缸前地溫隨深度的加深而升高(TX>TZ>TS)，隨著發(fā)酵的進(jìn)行，當(dāng)溫度達(dá)到頂火溫度時，地溫隨深度的加深而降低(TS>TZ>TX)，到了發(fā)酵中后期不同位置的酒醅溫度和地溫趨于相同。(4)與地缸群距離較遠(yuǎn)的土壤溫度受酒醅溫度變化的影響較小，受空氣溫度的影響較大，尤其是上層土壤溫度BTS隨空氣溫度的變化而波動較大，且地溫隨著深度的加深而升高(BTX>BTZ>BTS)。

圖5 地溫與酒醅溫度變化對比Fig.5 The comparison of temperature changes of ground and fermented grains注：T表示土；BT表示遠(yuǎn)離地缸群的土；SW表示上層缸內(nèi)邊處測溫點，BTS表示遠(yuǎn)離地缸群的上測溫點。

2.5 地缸內(nèi)部酒醅理化指標(biāo)的空間對比

酒醅發(fā)酵理化指標(biāo)對分析酒醅發(fā)酵狀態(tài)至關(guān)重要[23-25]。從圖5可知，地缸內(nèi)酒醅隨著距離地缸內(nèi)壁的距離變化存在溫度梯度，溫度不同發(fā)酵結(jié)果必然有差異。酒醅的理化指標(biāo)還原糖含量、酒度、淀粉含量、酸度直接反應(yīng)了酒醅的發(fā)酵情況。為了解地缸內(nèi)酒醅溫度不均勻?qū)Πl(fā)酵實際情況的影響，現(xiàn)對地缸內(nèi)不同部位的酒醅理化指標(biāo)進(jìn)行測定。將SL、ZL測溫點酒醅歸為L類測定理化指標(biāo)；將SJ、ZJ測溫點歸為J類測定理化指標(biāo)；將靠近缸壁的SW、ZW、XL、XJ、XW測溫點歸為W類測定理化指標(biāo)；測定結(jié)果如圖6所示。

圖6 酒醅理化指標(biāo)的空間對比Fig.6 The comparison of the space among the physicochemical indexes of the fermented grains

從圖6可以看出：(1) 發(fā)酵初期L、J、W點酒醅的還原糖含量相近，當(dāng)發(fā)酵進(jìn)行至第7對時，不同位置酒醅還原糖含量出現(xiàn)差異，地缸中間的L點酒醅還原糖含量最高，其次是J點酒醅，W點酒醅還原糖含量最低，且這種情況一直持續(xù)到發(fā)酵結(jié)束，酒醅還原糖含量高低與酒醅溫度呈正相關(guān)，分析原因為：較高的溫度有利于微生物代謝淀粉轉(zhuǎn)化為糖類(酒醅溫度L>J>W)。(2) 酒醅酒度在發(fā)酵的前7對時迅速升高，第7對時以后酒醅酒度基本穩(wěn)定，酒醅的酒精發(fā)酵主要集中在發(fā)酵的前期；發(fā)酵初期L、J、W點酒度相同，發(fā)酵進(jìn)行到第7對時的不同位置含量為L>J>W，到了發(fā)酵中后期這種差異逐漸縮小。(3)不 同位置酒醅的淀粉含量與酒度的變化規(guī)律相反，發(fā)酵進(jìn)行到第7對時時，W點的淀粉含量最高，其次是J點酒醅，L點酒醅含量最低，到達(dá)發(fā)酵中后期3個部位的淀粉含量差異變小。(4)隨著發(fā)酵的進(jìn)行，酒醅酸度呈直線上升，發(fā)酵進(jìn)行到12對時時，酸度達(dá)到最大值，此時酒醅酸度含量為L>J>W，且這種差異一直持續(xù)到發(fā)酵結(jié)束，分析原因為：中層酒醅溫度高有利于產(chǎn)酸微生物的生長代謝。

3 結(jié)論

(1)通過測定酒醅溫度隨發(fā)酵周期的變化發(fā)現(xiàn)，清香型白酒發(fā)酵過程中酒醅溫度整體趨勢符合發(fā)酵工藝要求的“前緩，中挺，后緩落”，發(fā)酵入缸后經(jīng)過短暫的延遲后，酒醅溫度迅速上升，發(fā)酵6 d達(dá)到30～36 ℃， 而后溫度緩慢回落。酒醅在整個發(fā)酵過程的大部分時間都處于20～25 ℃，只是中部在較小的時間段內(nèi)處于更高的溫度，可以認(rèn)為清香型白酒發(fā)酵屬于中溫發(fā)酵，而中部酒醅的高溫發(fā)酵對酒的風(fēng)味的影響需詳細(xì)研究。

(2)通過對比同一發(fā)酵地缸內(nèi)酒醅溫度以及對比酒醅、缸邊土壤和遠(yuǎn)離地缸群土壤的溫度變化，發(fā)現(xiàn)地缸內(nèi)酒醅溫度不均勻，存在溫度梯度，里層酒醅溫度>中間層酒醅溫度>外層酒醅溫度，即離地缸壁越近的酒醅溫度越低，最大溫差可達(dá)10 ℃；另外發(fā)現(xiàn)酒醅溫度對周圍土壤溫度有帶動作用，而遠(yuǎn)離地缸群的土壤不受酒醅溫度影響。

(3)測定不同測溫點的酒醅理化性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)地缸內(nèi)不同測溫點酒醅理化性質(zhì)與酒醅溫度密切相關(guān)，酒醅溫度高的地方還原糖、酸度、酒度越高，淀粉含量越低。