我国传统白酒酿造与工业酒精发酵的比较分析

龙 婷，余志晟*，汪 强，张洪勋

（1.中国科学院大学 资源与环境学院，北京 100049；2.贵州茅台酒股份有限公司，贵州 仁怀 564501）

白酒起源于中国，是一种由谷物自然发酵而成的蒸馏酒。白酒种类繁多，根据不同发酵方式（固态、液态、半固态等），糖化发酵剂类型（大曲、小曲、麸曲等）以及产品风味（浓香、清香、酱香等）可划分成不同种类[1]。不同种类的白酒由于酿造原料、酒曲种类、发酵方式和自然环境等不同而具有独特的风味[2]。白酒作为重要的发酵产品，丰富了中国人的生活，改善了中国人的日常饮食结构，是中国饮食文化的重要组成部分[3]。

在传统酿酒工业的基础上，工业酒精发酵技术进一步发展。20世纪初期，我国工业酒精开始起步，随着生产技术的改善，酒精的产量和质量不断提高，各项生产指标已达到国际领先水平，许多优质酒精远销海外，带来了显著的经济效益。酒精作为重要的基础化工原料，在农业、化工、食品、医疗卫生、国防工业等领域发挥着重要作用。我国工业酒精生产主要采用合成法与发酵法。合成法以石油裂解或焦炭炼制中得到的乙烯作为原料，通过一系列的工艺经化学反应合成酒精。发酵法是指微生物以淀粉质和废糖蜜等为原料经微生物发酵生成酒精。合成法消耗大量化石燃料，不利于能源的可持续发展，而发酵法具有完善的生产工艺体系，生产设备简单，能有效整合本地资源，能耗较低，因此被广泛应用。随着酒精工业的不断发展，酒精工业不再局限于传统工艺，开发新兴工艺、优化生产条件、选育优质菌种等逐渐在工业酒精的研究领域占据主导地位[4]。

一直以来，大量科研工作者从事传统白酒酿造工艺的研究工作，工业酒精发酵技术也非常成熟，传统酿酒与工业酒精发酵联系密切又各有特点。本文基于中国传统白酒酿造与工业酒精发酵技术的研究现状，从生产原料、预处理方法、发酵工艺、相关菌种和酒精蒸馏技术等五方面对二者进行了比较分析，以期对白酒酿造和酒精生产工业提供一些科学的参考，进而改善白酒酿造工艺，优化酒精生产技术，推动传统酿酒和酒精工业的发展。

1 生产原料的比较

酿酒原料是决定白酒质量的重要因素之一。传统酿酒以谷物作为主要原料，包括高粱、玉米、稻米、小麦、荞麦、青稞等，以“小麦制曲，高粱酿酒”为主。小麦淀粉含量较高，黏着力强，所含氨基酸种类丰富，有利于微生物生长和代谢，是制曲的优良原料[5]。高粱在众多酿酒原料中使用最为广泛，主要原因：高粱含有大量淀粉，出酒率高，口感舒适醇厚[6]。高粱耐旱，种植面积广阔，市场价格低，作为酿酒原料可以降低生产成本[7]；此外，高粱中的单宁经蒸煮发酵可产生特殊香气并能抑制杂菌[8]。

与传统酿酒相比，工业酒精发酵的生产原料来源更为丰富。工业酒精发酵原料除淀粉质原料外，还有糖质原料和纤维素原料[9]。糖质原料包括甘蔗、甜菜、甜高粱及废糖蜜等，通常含有大量的可发酵性糖，是生产酒精的良好原料[10]。另一类重要的生产原料是纤维素原料，纤维素原料通过生物发酵获取燃料乙醇，实现资源可再生利用[11]。国家发改委在《可再生能源发展“十三五”规划》中指出，我国未来能源发展应立足国内自有技术力量，积极引进、吸收国外先进经验，大力发展纤维素乙醇[12]。目前我国主要使用非粮经济作物如木薯、甜高粱等作为原料生产燃料乙醇，但考虑到原料价格、土地和水资源等因素，以农作物秸秆和木材工业下脚料等农林废弃物作为原料更加经济、环保[13]。纤维素乙醇不仅可以减少纤维素废弃物对环境的污染，还能利用地球上广泛存在的纤维素生物质，有利于缓解严峻的能源危机，是未来生物质能源的重要发展方向之一。传统酿酒与工业酒精发酵原料如表1所示。

表1 传统酿酒与工业酒精发酵原料比较Table 1 Comparison of raw materials between traditional brewing and industrial alcohol fermentation

2 预处理方法的比较

在传统酿酒过程中，由于谷物的淀粉通常以颗粒形式存在于细胞内，淀粉受到细胞组织保护而不易水解，因此需要对原料进行预处理以获取细胞中的淀粉颗粒。传统酿酒工艺中预处理包括对原料粉碎和蒸煮，目的是降低淀粉黏度使淀粉游离，最终使淀粉水解为可发酵性糖[18]，便于下一步的发酵。

工业酒精发酵过程中预处理占据着重要地位，预处理方法的选择直接影响到生产酒精的成本和效率。以淀粉质为原料生产工业酒精时，预处理方法和传统酿酒类似，都需要粉碎和蒸煮，但工艺更加成熟完善，机械化程度更高。蒸煮工艺已逐渐从间歇蒸煮工艺发展到连续蒸煮工艺，此外还有无需蒸煮的生料发酵工艺，然而由于其液化和糖化效率较低未能得到广泛应用[19]。为了保证生产的顺利进行，淀粉质原料在粉碎之前需要除杂，去除原料中的泥土、沙石、粗纤维、金属等杂质。经过处理的淀粉质原料不能直接发酵，还需加入糖化剂，使淀粉质原料转变为可发酵性糖，进而在酵母菌的作用下转化成乙醇。

与淀粉质原料不同，以糖蜜为原料生产酒精时，原料中含有大量的可发酵性糖，因此无需蒸煮糖化，可以直接进行酒精发酵。然而，糖蜜原料中糖浓度高，灰分和胶质含量高，影响发酵过程中微生物的生长，因此发酵前必须对原料进行预处理。预处理过程包括五个步骤：1）稀释：减小糖蜜浓度，降低渗透压。2）酸化：在糖蜜中加入硫酸和盐酸等，加速灰分与胶体物质的沉淀，同时调节pH，为酵母的生长繁殖提供适宜条件。3）灭菌：对稀糖液灭菌以抑制杂菌生长。4）糖蜜澄清：去除胶体、灰分等沉淀。5）添加营养盐：补充适量的氮源、磷源、镁盐与生长素等以维持酵母菌的生长。

以木质纤维素作为原料生产乙醇时，由于木质纤维素结构复杂，纤维素、半纤维素和木质素三者难以有效分离，因此预处理是限制木质纤维素生物质转化为乙醇的瓶颈之一[20]。木质纤维素原料的预处理方法复杂，主要包括物理法（机械粉碎、微波、辐射处理等）、化学法（酸、碱、有机溶剂、离子液体处理等）、物理-化学法（蒸汽爆破、氨纤维爆破等）和生物法（白腐菌、褐腐菌和软腐菌降解等）4种[21]。这些方法各有优缺点，不可能适用于所有的生物质，因此需要结合原料特性和生产实践选择适宜的方法。此外，多种技术联合处理能有效提高预处理效率，具有极大的发展潜力[22]。目前，木质纤维素预处理技术仍是制约纤维素乙醇大规模投入生产的因素之一，开发低成本、高效率、环境友好的新型处理技术将是今后木质纤维素生物质预处理的一个重要研究方向。

3 发酵工艺的比较

不同种类的白酒由于原料不同导致酿造工艺存在差异，白酒酿造过程包括5个关键步骤：1）谷物的粉碎和蒸煮：高粱被磨碎以释放细胞中的淀粉颗粒，蒸煮使淀粉水解，同时去除一些杂菌。2）冷却拌曲：蒸煮后的谷物冷却降温至适宜温度后与研磨成粉状的大曲混合。3）固态发酵：发酵谷物与大曲按一定比例混合后入窖发酵。4）蒸馏：发酵结束后通过蒸馏去除杂质获得纯的酒精。5）陈化：在陈化过程中各种芳香族化合物发生氧化还原、酯化、水解、缩合、分解等反应而使得白酒具有独特的香气与口感。

工业酒精发酵工艺核心是将可发酵性糖在酵母菌作用下转化生成乙醇，并蒸馏获得酒精产品，但是将不同原料转化为可发酵性糖的工艺过程有所不同。以淀粉质为原料生产酒精时，生产过程包括原料粉碎、拌曲、液化、糖化、发酵和蒸馏等工序[23]。纤维素乙醇的发酵工艺与淀粉质酒精相似，主要包括预处理、水解、发酵、分离、蒸馏和精馏等步骤[24]。而以糖蜜为原料生产工业酒精时，由于糖蜜含有大量可发酵性糖，无需经过蒸煮、糖化等工序，工艺成熟，设备简单，生产周期短。随着酒精发酵技术的不断革新，除了传统的发酵技术外，还出现了固定化酵母发酵技术、无蒸煮无糖化一步发酵技术、絮凝酵母发酵技术等多种新兴技术，酒精发酵技术取得了较大的进展[23]。

4 发酵过程微生物的比较

我国传统白酒发酵采用微生物群落混合发酵，多种微生物通过复杂的代谢活动及相互作用形成了白酒独特的风味物质[25]。为了鉴定白酒的风味物质，季克良等[26]采用全二维气相色谱飞行时间质谱对茅台酒微量成分进行了研究，结果表明普通飞天茅台中香气香味成分达1000种以上。VAN-DIEP L E等[27]利用顶空固相微萃取（headspace solid phase micro-extraction，SPME）和气相色谱-质谱（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）联用的方法，从汾酒大曲中检测到83种挥发性化合物，主要是酯类、酸类、醇类、酮类、醛类、吡嗪类和缩醛类等，这些挥发性化合物形成了白酒独特的风味。MINGORANCE-CAZORLAL等[28]分析了12种不同酵母对酿酒过程的影响，发现其中一些酵母菌能提高发酵过程乙酸乙酯和乙醇的浓度，对改善白酒的风味起到促进作用。

传统白酒酿造过程的微生物来源复杂，赵爽等[29]对不同香型白酒中的微生物进行了分析，发现微生物的主要来源为酒曲、酒醅和窖泥。酒曲中含有大量的微生物，可以将谷物中的淀粉经糖化、发酵等过程转化成乙醇。酒曲根据原料和制作工艺不同可分为大曲、小曲、麸曲[30]。不同类型的酒曲中微生物种类和数量不同，存在酶系种类和酶活力的差异。与小曲和麸曲相比，大曲含有数量和品种最多的微生物，风味更加丰富，因此传统的固态发酵多以大曲作为糖化发酵剂[31]。白酒酿造过程的微生物的另一个来源是酒醅，酒醅即经充分发酵的谷物，酒醅中原核生物来自大曲和窖泥，微生物群落与大曲中微生物群落基本相同[32]。ZHAO J S等[33]采用了磷脂脂肪酸分析方法对不同陈年窖泥的微生物群落结构进行了评价，发现窖泥微生物包括细菌、真菌和放线菌等，窖池中的微生物群落对白酒的质量和产量有显著影响。中国传统酿酒过程中，微生物及其酶系极大地影响了白酒的风味、酒质和产率，在白酒生产过程中发挥了重要作用[34]。

根据分离检测，霉菌、细菌和酵母菌是白酒生产过程主要的微生物[35]，如表2所示。

表2 传统酿酒过程的微生物种类Table 2 Microbial species during traditional brewing

与传统白酒的群落共发酵不同，工业酒精生产主要采用纯种发酵，从酒精生产过程中筛选出起主要作用的优势微生物经纯化培养后用于工业生产，能有效地提高产品的生产效率，保证产品的稳定性。在淀粉质和糖蜜为原料生产工业酒精生产过程中，微生物主要来源于糖化剂和发酵剂。糖化剂可以使淀粉全部或部分转化成葡萄糖等可发酵性糖，随后在发酵剂的作用下转化为酒精。纤维素乙醇技术中的关键步骤是将纤维素转化为可发酵性糖，纤维素降解过程主要的功能微生物包括真菌和细菌两大类[40]，其中白腐菌、褐腐菌、软腐菌等真菌降解木质纤维素的过程和机理一直是纤维素乙醇领域的研究热点并取得了巨大的进展。具有纤维素降解能力的细菌包括链霉菌、微杆菌、假单胞菌、芽孢杆菌等好氧细菌和脱硫微菌等少数厌氧细菌以及部分极端细菌如嗜热厌氧菌等。

与真菌相比，细菌具有丰富的生物多样性，能适应强酸强碱及高温等极端环境，因此，细菌降解木质纤维素在未来具有较大的潜力[41]。工业酒精生产过程相关微生物如表3所示。

表3 工业酒精发酵过程的微生物种类Table 3 Microbial species during industrial alcohol fermentation

5 酒精脱水技术的比较

传统酿酒工艺中，酒醅中酒精度数较低，含有一些发酵副产物，必须通过蒸馏提纯才能获得白酒。白酒由于固态发酵模式而采用独特的甑桶蒸馏方式[42]。在蒸馏过程中，由于沸点较低，酒精会率先汽化而被分离出来。蒸馏过程应使用小火，并去除杂质多、浓度低的酒头与尾酒，即“留前去后，去头掐尾”。经蒸馏所得的原酒度数较高，杂质含量低，可以存放多年。

在工业酒精生产过程中，由于发酵液中含有一些发酵副产物如醇、醛、酸、酯等，需要采用蒸馏的方法来分离纯化进而得到高浓度酒精。工业酒精生产过程中常用的蒸馏方式有简单蒸馏，精馏与特殊蒸馏等。由于产品质量要求不同，所采用的蒸馏方式也不同。单塔式、双塔式和三塔式蒸馏是3种主要的酒精蒸馏工艺。单塔式蒸馏工艺由于设备简单，生产出来的酒精质量较差，难以达到国家标准，所以很少使用。双塔式蒸馏工艺包含粗馏塔和精馏塔两个主要设备，粗馏塔可以去除酒糟等固体物从而将酒精分离出来。精馏塔将分离出来的酒精进行浓缩，并排除大部分挥发性物质。三塔式蒸馏工艺在双塔工艺的基础上增加了排醛塔排除醛酯类头级杂质。三种工艺各有优缺点，根据成熟醪特性和对酒精产品的要求不同，选择适合的酒精蒸馏工艺。

6 结论

我国传统酿酒工艺复杂，蕴含着风味化学、微生物生长、固态发酵、微生物群落代谢等丰富知识，以更加深入、系统的方式对传统酿酒工艺进行研究，探索其背后的科学原理，将有利于推动白酒工业的发展。虽然我国传统酿酒工艺经过数千年的时间不断发展已经形成了比较完善的工艺体系，但仍然有改进和发展的空间。工业酒精发酵是在传统酿酒技术的基础上发展起来的，二者一脉相承又各具特色。通过对传统白酒酿造与工业酒精发酵进行比较分析，结果表明，传统白酒酿造和工业酒精发酵差异显着，生产原料、预处理方法、发酵工艺、生产过程相关微生物以及酒精蒸馏技术等方面均有所不同，二者各有其优缺点。通过对二者的比较研究，有利于进一步探索有关白酒酿造过程的工艺特性和质量标准，对促进我国白酒酿造的科学化和现代化具有现实意义。未来酿酒工业的发展应该将传统工艺与现代科技相结合，优化生产工艺，减轻劳动强度，减少对粮食等原辅材料的消耗，对酿酒过程产生的废物进行资源化利用，降低生产过程的能耗并减少环境污染。对于酒精工业的发展，则可以从传统酿酒中选育优势菌种用于酒精的工业生产，进而优化工艺控制，提高酒精产率与质量。