白酒地缸发酵过程中酒醅温度及理化指标分析

余培斌，陈丙友，陈建新

1(工业生物技术教育部重点实验室(江南大学)，江苏 无锡，214122)2(粮食发酵工艺与技术国家工程实验室(江南大学)，江苏 无锡，214122)3(江南大学 生物工程学院，江苏 无锡，214122)

在发酵工业中，温度是最重要的控制指标之一。白酒酿造属于固态厌氧发酵，酒醅充当着微生物生长培养基的角色。酒醅温度直接影响着微生物种类变化和代谢产物的生成和积累[1]。白酒按照香型可以分为：浓香型、酱香型、清香型、芝麻香型等多种。其中清香型白酒以清香纯正，余味爽净而深受消费者的喜爱，其酿造工艺特点是“清蒸清茬、地缸发酵、清蒸二次清”[2-3]。不同于其他香型白酒采用窖池发酵，清香型白酒多采用地缸作为发酵容器。发酵过程中酒醅的温度取决于入缸时酒醅的初始温度、发酵时微生物的代谢强度和环境温度的综合作用。酒醅温度是决定白酒质量和产量的重要因素[4-5]。张鑫采用地上不锈钢槽控制环境温度的方式进行清香型白酒的发酵，发现温度变化与传统发酵过程不同，出酒率和酒质也不同，酸度略高[6]；朱引保等采用降地温的方式控制汾酒生产，发现控温发酵下出酒率高出0.66%， 优质酒率高出 6.18%[7]。李泽霞等采用恒温和变温2种方式对机械化酿酒车间发酵室温度进行调控，结果显示，采用变温调控发酵的酒醅发酵快，顶火温度高，酸度高，淀粉消耗速度快，酒精度低，蒸馏所得白酒中主体风味物质含量提高，酒体醇厚度和协调度好，感官质量较好[8]。

近几年由中国酿酒工业协会牵头的“白酒 158 计划”正式启动。该项目以实现中国白酒企业“自动化控制，机械化生产”为总体目标，针对白酒行业机械化的研究也逐渐增多[9-12]。由于白酒香型众多，目前只有鼓香型、米香型白酒转为液态发酵，可以完全实现机械化[13-14]。主要香型中浓香型白酒对窖泥依赖程度高，目前还无法脱离窖池发酵，酱香型白酒窖底和封窖仍为窖泥，发酵过程复杂，糟醅需高温堆积，尤其是糟醅分层出窖、分层蒸馏的工艺使得其机械化出窖难度较大[15]。清香型白酒采用地缸发酵，不依赖窖泥，是最易实现机械化的[16-19]。准确理解发酵过程中酒醅温度变化规律及其对酒醅理化指标的影响是实现清香型白酒机械化的前提。本研究以清香型白酒实际生产中的酒醅为研究对象，研究地缸发酵过程中酒醅温度及理化指标的变化规律，为设计白酒发酵设备提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

无水乙醇、葡萄糖、浓HCl、NaOH、邻苯二甲酸氢钾、酚酞、CuSO4、酒石酸钾钠、葡萄糖、亚甲基蓝、正丙醇(分析纯)：国药集团化学试剂有限公司；内标乙酸正戊酯(色谱纯)：上海阿拉丁试剂有限公司。

DS1922L纽扣式温度记录仪，上海沃第森电子科技有限公司；岛津2010-plus气相色谱仪，日本岛津公司；Bruker SCION SQ 456GC-MS气相色谱-质谱联用仪，美国Bruker公司；SIN-R200D/ Pt100无纸记录仪/温度探头，杭州联测自动化技术有限公司；YQX-Ⅱ厌氧培养箱，上海龙跃仪器设备有限公司；SHZ-D循环水式真空泵，巩义市予华仪器有限责任公司；BSP-250生化培养箱，上海博讯实业有限公司。

1.2 温度测定及酒醅取样方法

选取实际生产中的若干地缸及地缸周边土壤，在大楂落缸时均匀放入9颗纽扣式温度记录仪。温度计位置的安排：地缸中有上(S)、中(Z)、下(X)三层，每层分里(L)、间(J)、外(W)3个位置；土壤中测定上(TS)、中(TZ)和下(TX)；在距离发酵地缸群的1.5 m 测定周围土壤的温度，分别为上(BTS)、中(BTZ)、下(BTX)。地缸结构及测温点安排如图1所示。纽扣式温度记录仪设置每30 min记录1次温度，待发酵结束后取出温度记录仪读取温度数据。

不同发酵对时酒醅取样方法：使用特制取样铲分别于酒醅入缸发酵后的第1,3,5,7,9,12,16,20,24,28天按照图1测温点位置取酒醅样品500 g，迅速放入冰箱冷冻室，集中测试分析。

图1 地缸尺寸及测温点安排Fig.1 Cylinder size and the arrangement of sampling points

1.3 理化分析

酸度的测定：酸碱中和法[20]；淀粉含量和还原糖的测定：菲林试剂法[21]。

酒度的测定[22]：酒醅乙醇的提取，称取10 g酒醅样品加入100 mL蒸馏水置于电炉上加热蒸馏，待馏出液达到50 mL时，加入白酒内标1 mL定容到100 mL，待上机测定。

GC分析方法及条件：检测器：氢火焰离子化检测器；色谱柱：HP-PLOT/Q(15 m×0.230 mm×20 μm)；程序升温：40 ℃保持2 min，以4 ℃/min升至220 ℃保持10 min，进样口温度为200 ℃；进样量1 μL；分流比20∶1；检测器温度220 ℃。

2 结果与分析

2.1 发酵酒醅温度变化总趋势

清香型白酒发酵采用地缸式固态发酵，由于地缸周围窖泥及缸口保温材料等诸多因素的影响，同一地缸内不同部位酒醅的温度必定有差异。取酿酒车间内不同位置5～6个地缸按照图1所示测温点安放纽扣温度记录仪，发酵结束后读取温度数据，鉴于温度数据较多，相同位置温度取平均值作图2。

图2 酒醅温度变化总趋势Fig.2 The general trend of the temperature change of the fermented grains注：S、Z、X分别表示上层、中层、下层； L、J、W分别表示缸轴心处、缸轴心与缸内边的中点、缸内边处；SL表示上层中心处测温点，下同。

从图2可以看出:(1)地缸发酵过程酒醅温度存在不均匀变化，其中处于地缸中部的酒醅温度变化幅度大，处于外部的酒醅温度变化幅度小，相互之间存在明显的差异。此外，相对而言，地缸底部温度相对较低，上部较高，而中部最高。(2)酒醅温度差异主要表现在发酵的顶火时期，到发酵中后期各部分温度趋于相同。因此，可以认为造成温度变化的主因是微生物的代谢活动产生的生物热量较大，而酒醅的传热能力相对较弱，引起地缸中部热量累积。(3)酒醅在整个发酵过程的大部分时间都处于20～25 ℃，只有中部在较小的时间段内处于更高的温度，因此可以认为清香型白酒发酵属于中温发酵，但是中部酒醅的高温发酵对酒的风味的影响尚需详细研究。(4)在酒醅入缸后，酒醅要经过2～3 d的延迟期(在延迟期内酒醅温度升高速度慢)后，酒醅温度迅速升高达到顶火。(5)酒醅以相同温度入缸后，下层酒醅温度在短时间内小幅度升高，使下层酒醅温度明显高于中上层酒醅温度，这有可能是因为下层酒醅附近的土层属于深层土，深层土的温度较中上层高，下层酒醅入缸后迅速吸收附近土层的热量从而升高温度。

2.2 季节和环境影响发酵酒醅温度变化规律的差异分析

在清香型白酒固态发酵过程中，地缸所处的不同地理位置，不同发酵季节都会对地缸内酒醅发酵温度产生影响，地缸内酒醅的发酵温度变化规律也会随之改变。在同一酿酒车间分别于冬季和夏季2个发酵季节取内缸和边缸各5～6个，按照图1测温点安放纽扣温度记录仪，发酵结束后读取温度数据，取相同位置5～6个温度数值的平均值作图3。

对比图3中冬季发酵内缸a、冬季发酵边缸b、夏季发酵内缸c和夏季发酵边缸d四种不同情况酒醅发酵温度的变化可以得出以下结论：(1)在同一地缸相同位置的酒醅，夏季酒醅的顶火温度要高于冬季酒醅顶火温度2～3 ℃。(2)在酒醅入缸经过延迟期后酒醅温度开始迅速上升，夏季酒醅温度升高的速度要明显大于冬季酒醅，达到顶火后夏季酒醅温度回落的速度也大于冬季酒醅，夏季酒醅温度在顶火温度附近停留的时间较短。(3)在到达发酵中后期时，酒醅温度逐渐趋于稳定，冬季酒醅的最终温度一般可达到22 ℃左右，低于夏季的最终温度24 ℃。(4)当到达发酵后期时，冬季同一地缸不同位置酒醅最大温差为2 ℃左右，而夏季发酵过程中同一地缸不同位置酒醅最大温差可达5 ℃左右。(5)在相同季节同一发酵时期，地缸内相同位置测温点，内缸酒醅发酵温度明显高于外缸酒醅发酵温度，这种现象在冬季发酵过程中更为显著。(6)在酒醅入缸后，酒醅温度都会经过延迟期后才开始迅速上升，外缸酒醅的延迟期要明显长于内缸酒醅1～2 d。

分析原因为：夏季环境温度较高，酒醅入缸后受环境温度和微生物代谢作用的双重影响，酒醅温度较冬季提前进入顶火时期且顶火温度较高。发酵后期温度趋于稳定时，酒醅的温度受微生物代谢作用影响减弱，酒醅的温度主要取决于环境温度，因此夏季高于冬季2～3 ℃。

a-冬季内缸，b-冬季边缸，c-夏季内缸，d-夏季边缸图3 不同季节、环境酒醅温度的变化对比Fig.3 The comparison of the temperature changes of fermented grains in different seasons and environment

2.3 地缸内部酒醅的温度分布状况

在清香型白酒地缸发酵过程中，地温和缸口保温材料都会对酒醅温度产生影响，但由于缸的尺寸固定，同一地缸中不同位置的酒醅温度受外界环境的影响程度不同；再加之地缸不同部位含氧量、含水率等因素的不同，导致同一地缸内不同部位酒醅温度存在差异。现测定四口处于不同位置和季节的地缸内不同位置的酒醅温度，将四口缸中SL、ZL点酒醅温度变化；SJ、ZJ点酒醅温度变化；SW、ZW点酒醅温度变化；XL、XJ和XW点酒醅温度变化分别归类作图，如图4所示。

从图4可以看出，(1) 不同地缸内相同部位的酒醅温度变化趋势基本相同，同一地缸内不同部位酒醅温度存在较大差异，酒醅内存在温度梯度。(2) 地缸内SL、ZL点的酒醅顶火温度最高，为32～36 ℃，其次是SW、ZW点的顶火温度30～34 ℃，而SW、ZW、XL、XJ和XW点的顶火温度较低，为23～28 ℃，说明地缸内酒醅距离地缸内壁距离越小，温度越低。(3)地缸内部SL、ZL、SJ、和ZJ点酒醅的温度和变化趋势较接近，而SW、ZW、XL、XJ和XW点酒醅的温度和变化趋势较接近。(4)同一地缸内最大温差可达10 ℃。

分析原因为：上表面氧气浓度较高，微生物有氧呼吸代谢较旺盛，产热较多，所以上部中间及里层温度较高。SW、ZW和XW点酒醅温度低于同一平面层其他测温点温度是因为：地缸周边酒醅距离土壤较近，土壤温度低于发酵过程中的酒醅温度，由于传热，酒醅的温度有所降低。

a-SL、ZL发酵温度；b-SJ、ZJ发酵温度；c-SW、ZW发酵温度；d-XJ、XL、XW发酵温度。图4 不同位置酒醅温度变化对比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 发酵过程中地缸周围土壤的温度变化规律

清香型白酒采用固态地缸发酵，地缸周围土壤与地缸外表面的接触面是一个热量交换面，酒醅和地缸之间热量通过地缸壁进行传递，达到一种热平衡。酒醅入缸后，地温、入缸温度和酒醅微生物的代谢产热，相互作用相互补充，共同为酒醅微生物的生长提供适宜温度。因此，研究地温与酒醅温度的相关性对清香型白酒的生产具有重要作用。根据清香型白酒的实际生产经验，每年3～4、11～12月份酒的质量和产量较高，为酿酒的最佳时节，此时的地表温度在8～15 ℃。本研究将12月份生产的清香型白酒的酒醅温度、地温和远离地缸群的地温变化规律作图5。

结合图5数据分析可以得出以下结论：(1)地缸周围地温随酒醅温度变化而变化，地缸周围土壤并没有产热来源，所以地缸周围土壤是因为吸收了酒醅中的大量热量而升高温度。(2)与酒醅相比，地缸周围的土壤温度变化幅度相对较小，但与酒醅有相同的变化趋势，在时间上相对滞后。酒醅SW、ZW、XW点的最高温度比同一水平面对应土壤温度TS、TZ、TX点的最高温度高1 ℃左右。TS、TZ、TX点的温度延迟对应点SW、ZW、XW的酒醅温度。(3)在酒醅入缸前地温随深度的加深而升高(TX>TZ>TS)，随着发酵的进行，当温度达到顶火温度时，地温随深度的加深而降低(TS>TZ>TX)，到了发酵中后期不同位置的酒醅温度和地温趋于相同。(4)与地缸群距离较远的土壤温度受酒醅温度变化的影响较小，受空气温度的影响较大，尤其是上层土壤温度BTS随空气温度的变化而波动较大，且地温随着深度的加深而升高(BTX>BTZ>BTS)。

图5 地温与酒醅温度变化对比Fig.5 The comparison of temperature changes of ground and fermented grains注：T表示土；BT表示远离地缸群的土；SW表示上层缸内边处测温点，BTS表示远离地缸群的上测温点。

2.5 地缸内部酒醅理化指标的空间对比

酒醅发酵理化指标对分析酒醅发酵状态至关重要[23-25]。从图5可知，地缸内酒醅随着距离地缸内壁的距离变化存在温度梯度，温度不同发酵结果必然有差异。酒醅的理化指标还原糖含量、酒度、淀粉含量、酸度直接反应了酒醅的发酵情况。为了解地缸内酒醅温度不均匀对发酵实际情况的影响，现对地缸内不同部位的酒醅理化指标进行测定。将SL、ZL测温点酒醅归为L类测定理化指标；将SJ、ZJ测温点归为J类测定理化指标；将靠近缸壁的SW、ZW、XL、XJ、XW测温点归为W类测定理化指标；测定结果如图6所示。

图6 酒醅理化指标的空间对比Fig.6 The comparison of the space among the physicochemical indexes of the fermented grains

从图6可以看出：(1) 发酵初期L、J、W点酒醅的还原糖含量相近，当发酵进行至第7对时，不同位置酒醅还原糖含量出现差异，地缸中间的L点酒醅还原糖含量最高，其次是J点酒醅，W点酒醅还原糖含量最低，且这种情况一直持续到发酵结束，酒醅还原糖含量高低与酒醅温度呈正相关，分析原因为：较高的温度有利于微生物代谢淀粉转化为糖类(酒醅温度L>J>W)。(2) 酒醅酒度在发酵的前7对时迅速升高，第7对时以后酒醅酒度基本稳定，酒醅的酒精发酵主要集中在发酵的前期；发酵初期L、J、W点酒度相同，发酵进行到第7对时的不同位置含量为L>J>W，到了发酵中后期这种差异逐渐缩小。(3)不 同位置酒醅的淀粉含量与酒度的变化规律相反，发酵进行到第7对时时，W点的淀粉含量最高，其次是J点酒醅，L点酒醅含量最低，到达发酵中后期3个部位的淀粉含量差异变小。(4)随着发酵的进行，酒醅酸度呈直线上升，发酵进行到12对时时，酸度达到最大值，此时酒醅酸度含量为L>J>W，且这种差异一直持续到发酵结束，分析原因为：中层酒醅温度高有利于产酸微生物的生长代谢。

3 结论

(1)通过测定酒醅温度随发酵周期的变化发现，清香型白酒发酵过程中酒醅温度整体趋势符合发酵工艺要求的“前缓，中挺，后缓落”，发酵入缸后经过短暂的延迟后，酒醅温度迅速上升，发酵6 d达到30～36 ℃， 而后温度缓慢回落。酒醅在整个发酵过程的大部分时间都处于20～25 ℃，只是中部在较小的时间段内处于更高的温度，可以认为清香型白酒发酵属于中温发酵，而中部酒醅的高温发酵对酒的风味的影响需详细研究。

(2)通过对比同一发酵地缸内酒醅温度以及对比酒醅、缸边土壤和远离地缸群土壤的温度变化，发现地缸内酒醅温度不均匀，存在温度梯度，里层酒醅温度>中间层酒醅温度>外层酒醅温度，即离地缸壁越近的酒醅温度越低，最大温差可达10 ℃；另外发现酒醅温度对周围土壤温度有带动作用，而远离地缸群的土壤不受酒醅温度影响。

(3)测定不同测温点的酒醅理化性质，发现地缸内不同测温点酒醅理化性质与酒醅温度密切相关，酒醅温度高的地方还原糖、酸度、酒度越高，淀粉含量越低。