6家河南酒企窖泥理化性质及其地域特征研究

胡晓龙，田瑞杰，张勇，余苗，何培新，李华，李明笑，孙继祥

1.河南大学 生命科学学院，河南 开封 475001；

2.郑州轻工业大学 食品与生物工程学院，河南 郑州 450001；

3.河南仰韶酒业有限公司博士后科研工作站，河南 渑池 472400；

4.河南省食品检验研究院，河南 郑州 450000；

5.河南皇沟酒业有限责任公司，河南 永城 476600

0 引言

窖泥作为特殊的土壤样品，是浓香型白酒酿造的主要微生物来源之一[1]，其品质是影响白酒品质的重要因素[2-4].窖泥理化性质对白酒相关微生物的生长繁殖具有重要影响[2,5-6].适宜的含水量能保障窖泥中微生物必要的生理代谢正常进行,若含水量过低，窖泥会出现不同程度的板结现象，造成微生物生长繁殖困难[7].窖泥pH值过低会影响微生物细胞膜的电荷变化，抑制窖泥微生物的代谢[8].铵态氮含量过少易导致窖泥营养匮乏，微生物生长受到抑制；铵态氮含量过剩则易导致窖泥臭味明显[9].磷元素是微生物的重要组成成分，也是微生物生长代谢中不可缺少的元素之一，其中有效磷是水溶性、有机态的易被微生物直接吸收和利用的磷.研究表明[3]，窖泥中的有效磷含量与窖泥细菌总量呈正相关.总酸对窖泥中的己酸菌、丁酸菌等有益微生物的生长代谢活动影响较大，发酵过程中酸度偏大会导致窖泥老化[10].胡晓龙等[11]研究发现，总酸是影响窖泥优势菌群的主要理化因子之一.因此，明晰窖泥的理化性质有助于指导制备人工优质窖泥、建立窖泥品质标准、稳定浓香型白酒的品质等[1].

窖泥理化性质与其所处地理位置具有一定关联性[12-13].黄治国等[12]比较了宜宾、泸州和邛崃3个地区窖泥的理化性质，发现宜宾和邛崃的窖泥pH值及水分、腐殖酸和有效磷含量均显著低于泸州窖泥，而邛崃窖泥的总糖和总酸含量则相对高于宜宾和泸州的窖泥.此外，窖泥理化性质是除感官和微生物指标以外评价窖泥品质的重要指标之一[7]，包括pH值,水分含量,无机盐氮含量、磷含量、钾含量,腐殖质含量等[14].李学思等[15]研究发现，宋河酒业的窖泥水分、速效钾和有机质含量均随窖龄的增加而不断增加，在窖龄3～15 a内，随着窖龄的增加，窖泥pH值、有效磷和钙含量先增加后减小，铵态氮含量总体呈增加的趋势，具体表现为先增加后减少再增加的趋势.胡晓龙[2]研究了江苏某酒企不同品质的窖泥，发现优质窖泥的水分含量(31.07%)低于退化窖泥(36.90%)，但优质窖泥的pH值、总氮含量、铵态氮含量、有效磷含量等均高于退化窖泥.张胜利等[16]研究发现，品质较好的窖泥pH值应为4.8～7.0，优质窖泥最佳pH值约为5.0.张良等[5]研究发现，窖泥中的矿物元素锌、锰、钙有利于改善窖泥品质.窖泥中的腐殖质具有良好的保水作用，可缓解乳酸钙、乳酸铁的形成，避免窖泥板结退化[1,7].在诸多理化因子中，总氮含量、铵态氮含量和pH值可作为综合指标初步判定窖泥品质，且与窖泥品质呈正相关[6].尽管四川、江苏等浓香型白酒主产区窖泥理化性质及其与地域、品质的关联性已有较多研究成果[2,12-13,17]，但河南作为我国北方浓香型白酒酿造主产区之一，尚未见其窖泥理化性质地域特征的研究报道.

基于此，本研究拟解析河南省5个地域(豫东、豫西、豫南、豫北及豫中)6家酒企窖泥样品的理化因子，以期进一步丰富我国窖泥理化性质的地域特征，为河南酒企窖泥的科学养护和调控提供理论支撑.

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

1.1.1 主要试剂重铬酸钾、酒石酸锑钾、亚硝基铁氰化钾、邻苯二甲酸氢钾、NaOH、高氯酸钠、酒石酸钾钠、浓H2SO4、HCl、硼酸、NH3Cl、钼酸铵、氟化铵、酚酞等，均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司产.

1.1.2 主要仪器与设备PB-10 型pH计，德国Sartorius公司产；UV BlueStar A型紫外分光光度计，北京莱伯泰科仪器股份有限公司产；DF-1型集热式恒温磁力搅拌锅，金坛市中大仪器厂产；MP200A型精密电子天平，上海良丰仪器仪表有限公司产；101-1型电热鼓风干燥箱，北京中兴伟业仪器有限公司产；TGL-20M型高速冷冻离心机，上海卢湘仪离心机仪器有限公司产.

1.2 实验方法

1.2.1 窖泥样品采集窖泥样品采集自河南省6家代表性酒企的窖龄大于10 a的老窖池，其相关信息分别为：豫东(HG酒企：窖龄35 a，E115°58′～116°39′，N33°42′～34°18′；SH酒企：窖龄15 a，E115°13′20″,N33°46′50″)、豫西(YS酒企：窖龄30 a，E111°33′～112°01′，N34°36′～35°05′)、豫北(BQC酒企：窖龄12 a，E113°20′～113°57′，N35°17′～35°50′)、豫南(WGC酒企：窖龄35 a，E115°41′，N32°44′)和豫中(JH酒企：窖龄40 a，E113°21′15″～113°44′53″，N33°7′50″～33°30′22″).

每家酒企均随机选取两口正常使用的窖池.每口窖池共取4个代表样品，取样位置如图1所示，其中窖壁上层T1和T2混合样(PT)、窖壁中层M1和M2混合样(PM)、窖壁下层U1和U2混合样(PU)、窖底B1和B2混合样(PB)各1个，每个混合样约500 g，共计48个窖泥样品，于-20 ℃贮存备用.

图1 窖池中窖泥的取样位置示意图Fig.1 The schematic dragram of the sampling location of the pit mud in the pit

1.2.2 理化指标测定采用烘干法和电位法分别测定窖泥水分含量及pH值[18].采用酸碱中和滴定法测定窖泥总酸含量[19].参照NY/T1121.7—2014测定窖泥有效磷含量[20].采用靛酚蓝比色法测定窖泥铵态氮含量[21].

1.2.3 数据分析采用软件IBM SPSS Statistics 20中的双变量Pearson相关性功能条目和软件Canoco 5分别对窖泥理化性质进行相关性和主成分分析(Principal Componet Analysis, PCA).

2 结果与分析

2.1 窖泥总体理化性质分析

6家酒企窖泥的理化指标测定结果见图2,其中不同小写字母表示具有显著差异(P<0.05).由图2a)可以看出，6家酒企窖泥的平均水分含量、pH值、总酸、铵态氮和有效磷含量分别为39.21%、5.36、7.51 mg/g、699.0 mg/kg和214.7 mg/kg.本研究中窖泥的平均水分含量与四川某酒企一级窖泥[6]、泸州窖泥[12]、宜宾窖泥[12]等的水分含量(40%)相近.河南产区平均pH值与湖南产区(5.1)[4]、宜宾产区(4.0～6.0)[13]、贵州产区(5.64)[22]相近；但与江苏产区某酒企窖泥相比，河南产区最大pH值(8.79)高于其优质窖泥pH值(7.61)，最低pH值(3.53)低于其退化窖泥pH值(4.57)[2].

2.2 窖泥水分含量变化规律分析

6家酒企窖泥的水分含量范围为27.24%～51.21%.由图2b)可以看出，SH窖泥的平均水分含量(47.94%)显著高于其他5家酒企(P<0.05)；其次是HG、YS和JH窖泥，平均水分含量分别为39.61%、39.63%和40.65%；WGC和BQC窖泥的平均水分含量最低，分别为32.66%和34.76%，显著低于其他4家酒企(P<0.05).从空间分布来看，豫东SH和HG、豫中JH、豫西YS窖泥的平均水分含量从东到西呈降低的趋势，豫南WGC和豫北BQC窖泥的平均水分含量均在32.00%～35.00%之间，显著低于豫中JH窖泥.窖泥是一类特殊的土壤物质，其水分含量在河南地域内具有明显的空间分布特征，表现为“南北低，东西和中部高”，这可能与酒企所处位置的地势(海拔高度、地下水深度、离地上水系的距离等)有关，并受白酒酿造工艺、窖池窖龄、窖池空间位置等的影响.

图2 6家酒企窖泥的理化指标测定结果Fig.2 Physical and chemical properties of pit mud collected from six Baijiu production companies of He′nan province

2.3 窖泥pH值变化规律分析

6家酒企窖泥的pH值范围为3.53～8.79.由图2c)可以看出，河南不同地区酒企窖泥的平均pH值呈“中部高，周边低”的分布特征：中部地区HG和JH窖泥的平均pH值最高，分别为6.44和8.15，显著高于其他4家酒企窖泥样品(P<0.05);SH、YS、WGC和BQC窖泥的平均pH值均较低，分别为4.87、4.30、4.38和4.00.从6家酒企的地理位置可知，以豫中JH为分界点，从南到北、从东到西均呈低、高、低的变化趋势；豫南WGC与豫北BQC窖泥的平均pH值变化不显著，但与豫中JH窖泥存在显著差异.相关研究表明[23]，pH值与窖泥的多项指标密切相关，如pH值能影响窖泥细菌总量，还能影响窖泥功能菌群梭菌纲细菌的生长繁殖，当pH值低于4.0时，不利于产己酸菌株生产己酸，而己酸是浓香型白酒重要香味成分己酸乙酯重要的前体物质[13].豫南WGC和豫北BQC窖泥的平均pH值与宜宾和邛崃产区窖泥的平均pH值接近[12].

2.4 窖泥总酸含量变化规律分析

6家酒企窖泥的总酸含量范围为0.16～18.18 mg/g，由图2d)可以看出，各酒企的平均总酸含量为6.87 mg/g(SH)、3.41 mg/g(HG)、13.74 mg/g(YS)、0.56 mg/g(JH)、7.30 mg/g(WGC)和13.19 mg/g(BQC).对比图2c)和d)发现，窖泥总酸含量与其pH值呈负相关.例如，HG和JH窖泥的平均总酸含量显著偏低(P<0.05)，而其平均pH值显著偏高；SH、YS、WGC和BQC窖泥的平均总酸含量显著高于HG和JH窖泥，而这4家酒企窖泥的pH值均显著偏低.综上可知，河南产区窖泥总酸含量具有“中部低，周边高”的分布特征.窖泥中的总酸主要为乳酸，其次是己酸、丁酸等有机酸[24].适量的有机酸有利于酒体风味的形成，但过量的有机酸易导致窖泥生态结构失衡，不利于窖泥菌群的稳定[2,24].

2.5 窖泥铵态氮含量变化规律分析

6家酒企窖泥的铵态氮含量范围为8.2～2 118.0 mg/kg.由图2e)可以看出，BQC窖泥的平均铵态氮含量最低(124.4 mg/kg)，JH窖泥的平均铵态氮含量最高(1 621.8 mg/kg).南北地区两家酒企(WGC和BQC)窖泥的平均铵态氮含量具有显著差异(P<0.05)；东西方向3家酒企，豫东SH和HG与豫西YS窖泥的平均铵态氮含量均具有显著差异；豫中JH窖泥的平均铵态氮含量显著高于其他5家酒企(P<0.05).YS和BQC窖泥的平均铵态氮含量均显著较低，在地理分布上，这两家酒企均地处黄河以北.受黄河来水来沙、尾闾流路变迁、全球气候变化等自然因素，以及农业耕种熟化、城镇化、工业化等人类活动的交互作用和叠加影响，黄河南北流域及上下游地域化学特征有机质、氮、磷等均存在一定差异，因此，黄河流域相同区位在理化性质上可能具有一定共性[25].铵态氮是无机氮源，为窖泥微生物生长繁殖提供氮元素，有利于窖泥微生物的生长繁殖[26].与国内其他酒企窖泥的铵态氮含量相比，宜宾产区窖泥铵态氮含量多为400.0～600.0 mg/kg[13]，安徽某酒企窖泥的铵态氮含量最高为308.0 mg/kg，最低为98.7 mg/kg[24]，而河南酒企除SH和JH窖泥铵态氮含量略高外，另外4家酒企与其他省份部分酒企窖泥的铵态氮含量基本一致.

2.6 窖泥有效磷含量变化规律分析

磷元素是微生物细胞的重要组成成分，微生物死亡沉积后，细胞分解物导致磷元素含量增加[28]，这对调控窖泥微生物群落结构与活力具有指导意义.6家酒企窖泥的有效磷含量范围为36.3～535.7 mg/kg.由图2f)可以看出，SH窖泥的平均有效磷含量最低(106.1 mg/kg)，YS窖泥的平均有效磷含量最高(356.0 mg/kg).

2.7 酒企地理位置对窖泥理化性质的影响分析

上述研究结果初步表明，窖泥理化性质受所在酒企地理位置的影响.6家河南酒企老窖泥的PCA分析如图3所示，其中绿、红、黄和紫色分别代表相应酒企窖池上、中、下和底层的窖泥样品.由图3可以看出，老窖泥(>10 a)在PCA图中的分布具有明显的地域性，即不同地域酒企的老窖泥能很好地被区分开，而来源于同一酒企不同窖池空间位置的窖泥能很好地聚类.同时，豫东与豫中3家酒企分布于Axis1轴中心垂直线左侧，豫北与豫西两家酒企分布于Axis1轴右侧，豫南酒企基本位于Axis1中轴线上，再次表明老窖泥的理化性质主要受其所处地理位置的影响.两个主成分解释了窖泥分布90.16%的信息，其中PC1解释了76.67%，说明PC1是区分各酒企老窖泥分布的主要因素.其中pH值、水分含量、铵态氮含量和总酸含量与PC1轴夹角很小，说明其对PC1贡献较大[2].有效磷含量与PC2轴夹角很小，说明其对PC2成分贡献较大，其中豫西YS窖泥的有效磷含量高于豫北BQC窖泥.综上可知，在整个河南省范围内，窖泥的理化性质受酒企所在地理位置的影响较大，且大于窖泥空间位置对其理化性质的影响程度.

图3 6家河南酒企老窖泥的PCA分析Fig.3 PCA analysis of old pit mud from six Baijiu production companies of He′nan province

2.8 窖泥理化因子之间的关联性分析

分析6家酒企48个窖泥样品的理化因子之间存在的关联性，可为寻找能反映窖泥理化性质的综合理化指标提供理论基础.窖泥理化因子之间的Pearson相关性见表1.由表1可知，除有效磷含量外，窖泥铵态氮含量与其他3种理化因子之间存在显著正或负相关；pH值与总酸含量和铵态氮含量之间均存在显著相关性，其中pH值与总酸含量的相关性最高.据报道[26,28]，pH值和铵态氮含量与微生物数量及多样性存在显著相关性，pH值会影响窖泥整个微生物群落多样性及其组成[28].在不同品质窖泥的理化性质研究中发现，pH值与窖泥的水分含量、铵态氮含量、有效磷含量、可溶性有机碳含量等均呈显著相关性[2].在对土壤样品理化因子相关性分析中发现，pH值与碱解氮含量、有效磷含量的相关性显著[29].本研究中，pH值仅与总酸含量和铵态氮含量呈显著相关性，而铵态氮含量与水分含量、总酸含量和pH值均呈显著相关性.因此本研究中pH值和铵态氮含量这两种因子可以被推荐作为初步反映窖泥综合理化性质的指标，这与土壤pH值影响其他理化指标呈现明显相关性的结论一致[30]，但由于窖泥是一种复杂的生态体系，除理化性质外，微生物等因素均能影响窖泥的微生态平衡及品质，因此，用pH值和铵态氮含量去评价窖泥品质还不够全面，需进一步完善评价标准.

表1 窖泥理化因子之间的Pearson相关性Table 1 The Pearson relationships between biogeochemical attributes of pit muds

3 结论

本文对河南6家具有代表性的酒企窖泥进行理化性质分析发现，河南酒企窖泥的常规理化指标平均水分含量、pH值、总酸含量、铵态氮含量和有效磷含量分别为39.21%、5.36、7.51 mg/g、699.0 mg/kg和214.7 mg/kg；在河南范围内，窖泥平均水分含量呈现“南北低，东西和中部高”的分布特征，平均pH值呈现“中间高，周边低”的分布特征，平均总酸含量变化趋势与pH值变化趋势相反，中部地区酒企的平均铵态氮含量最高(1 621.8 mg/kg)，西部地区酒企的平均有效磷含量最高(356.0 mg/kg).主成分分析显示窖泥地理位置分布特征与窖泥pH值、水分含量、铵态氮含量和总酸含量存在较高的相关性，表明其可能是区分窖泥地理分布特征的主要环境因子.理化因子Pearson相关性分析发现，铵态氮含量与含水量、pH值呈显著正相关，与总酸含量则呈显著负相关，总酸含量与pH值呈极显著负相关.

本研究在一定程度上丰富了人们对河南产区窖泥理化特性的认识，证实了窖泥理化因子具有地域分布特征，对进一步探究不同地域窖泥理化因子与微生物菌群之间的相关性等具有一定的积极作用.由于本文窖泥样品数量受限，因此后续研究将增加所选酒企及跨地域窖池的数量，进一步检验和完善相关研究结果.