曾祥林,庹先国1,*,张贵宇1,,3*,范焘1,,3,翟双,陈霏

1(人工智能四川省重点实验室,四川 宜宾,644000) 2(四川轻化工大学 自动化与信息工程学院,四川 宜宾,644000) 3(西南科技大学 信息工程学院,四川 绵阳,621010)

固态发酵是中国白酒酿造独特工艺,酒醅入窖是浓香型白酒酿制工艺中连接摊晾与发酵环节之间的重要技术,适宜的入窖条件为窖池中微生物生长繁殖及代谢活动提供环境,提高酒醅发酵的质量[1-2]。

在热季高温高湿的酿造环境中,酒醅在入窖后易出现凝露现象,改变酒醅的理化指标,影响酒醅发酵[3-4]。凝露是指在高温、高湿的酿造环境中遇到低温入窖的酒醅时,当入窖酒醅温度小于环境露点温度,酒醅表面会发生水珠凝结现象,增加入窖酒醅的水分[5-7]。目前,国内外主要在电力、暖通、农业等方面对凝露现象进行了研究[8-12]。通过控制高压开关柜[13]、空调、粮堆[14]的内外温湿度,构建多场时空耦合模型,防止发生凝露现象。入窖的酒醅受高温高湿环境影响,在2次入窖时间间隔内,窖池的酒醅水分、温度、酸度等发生改变,破坏酒醅入窖条件。酒醅入窖水分影响酒醅的透气性、疏松度和溶氧量,入窖水分过高易造成糖化发酵过快,酒醅的比热、黏度、导热性增加,温度上升速率快,酒醅酸度增加；入窖水分过低,酒醅发干影响糟醅正常发酵,酒质味苦糙辣[15]。酒醅入窖温度直接影响酒质与产量,温度过高,影响微生物的活力,阻碍发酵；温度过低,酒醅主发酵时间过长[16]。适宜的入窖酸度有利于糊化与糖化作用,抑制有害杂菌的生长繁殖[17]。国内学者研究了不同香型酒醅的入窖条件[18]、糟醅的发酵机理[19]、温度微生物[20-21]对酒质的影响等问题,从酿造环境[22-23]、酒醅入窖的理化指标、发酵工艺等方面改善酒体质量。

本文拟研究在高温高湿环境中,入窖酒醅在2次入窖时间间隔内的含水量、温度、酸度变化规律。样品采集于每次入窖后的酒醅,2次入窖时间间隔为第1次酒醅入窖与第2次酒醅入窖的时间差。通过控制不同的入窖温湿度,研究入窖酒醅理化性质与入窖环境的相互关系,为夏季酒醅入窖提供基础性指导。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

酒醅样品采集于宜宾某多粮浓香型酒厂,选取正常生产的2口窖池进行采样。样品采集时间2020年6～8月。采样方法：把待入窖的酒醅放置于自建的浓香型窖池中,把窖池置于温湿度可控环境内。酒醅入窖后,每隔20 min取样1次,即酒醅入窖0、20、40、60、80 min采样,共采样5次。本实验采样于每次入窖后的酒醅,采样时间为2次入窖时间间隔内,酒醅入窖实验模拟图如图1所示。

图1 窖池中酒醅每次入窖后模拟图Fig.1 The simulation diagram of the glutinous rice in the cellar every time it enters the cellar

实验时采用甑锅体积大小为0.4,根据自建浓香型窖池尺寸计算得出酒醅入窖厚度为23 cm左右,故分别选择采集距窖池表面0、5、10、15、20 cm共5种不同距离的酒醅。选取窖池区域5个位置作为采样点,用符号A1、A2、A3、A4、A5表示,其中符号A、B、C、D、E表示不同窖池深度,取平均值以提高实验数据准确性。如：酒醅第3次入窖后放置于窖池窖池3号区域,待第4次入窖到来时,测量出第3次入窖酒醅受窖池环境的影响的关系,采样点如图2所示。

试剂：0.1 mol/L NaOH溶液、1%酚酞溶液。

图2 酒醅取样点示意图Fig.2 Schematic of sampling sites

1.2 仪器与设备

180 cm×100 cm×120 cm浓香型窖池,自建；智能无线温度测量仪器,自建；5.0 m×4.0 m×3.0 m温湿度可控环境,自建；FA2204 N电子天平,上海菁海仪器有限公司；RP-9050A干培两用箱,上海双旭电子有限公司；FLIR A615红外热成像仪,美国菲力尔公司；DT-8896红外干湿计,深圳市华盛昌科技实业股份有限公司;Testo6682露点仪,北京中仪联众科技开发有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 酒醅温度测量

选用红外热成像仪对窖池内表层酒醅的测量点进行测温,同时在FLIR Tools+软件中记录测量点不同时刻的温度变化情况,取平均温度作为表层酒醅的温度。同时采用智能无线温度测量仪器分别测量测量点不同深度酒醅的温度,同一层酒醅的平均温度作为该层酒醅的最终温度。

1.3.2 酒醅水分的测定

根据国家标准GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》,对酒醅含水量采用直接干燥法进行测定。

1)烘干蒸发皿。将干净的蒸发皿放入干培两用箱内,100 ℃烘1 h后取出冷却至室温,进行称重,再烘30 min,再称重。2次称蒸发皿质量之差不超过0.005 g,即为蒸发皿的恒重。

2)烘干酒醅。在2次入窖间隔时间(80 min)内,在窖池内以不同时间、不同取样位置取出酒醅。每个时间点、每个位置取出3份酒醅,每份酒醅质量5 g,并进行标号记录。将取出酒醅放入干培两用箱中,100 ℃烘8 h后,取出冷却至室温进行称重。称完后放入干培两用箱中进行复烘,每隔1 h取出冷却称重,直到相邻2次烘干后质量差不超过0.005 g。以最后一次称重质量为酒醅与蒸发皿烘干后的质量,并记录每份酒醅的烘干后的质量。

3)建立数学模型。根据直接干燥法计算糟醅水分含量，如公式(1)所示：

(1)

式中：m1,干燥前酒醅与蒸发皿的质量;m2,干燥后酒醅与蒸发皿的质量;m3,干燥前酒醅质量。

1.3.3 酒醅酸度测量

酸碱滴定法测定：参照DB 34/T 2264—2014《固态发酵酒醅分析方法》。

1.3.4 窖池环境温湿度测量

将红外干湿计放置表层酒醅采样点位置,红外干湿计与测量点位置的酒醅表面高度3 cm左右。采用以太网方式实时监测入窖后酒醅的近酒醅表面环境的温湿度变化情况,以取样点时间前后1 min为参考时间,取该段时间环境温湿度的平均值作为该采样时间的环境温湿度值。

1.3.5 窖池环境露点温度测量

把露点仪放置距离近酒醅表面高3 cm位置,测量窖池内近酒醅环境的露点温度,并实时监测。

1.4 数据分析

采用Origin Pro 9.1.0与Matlab软件。

2 结果与分析

2.1 酒醅入窖水分变化

酒醅入窖的含水量是白酒固态发酵的主要控制指标之一,是窖内物质物理、生化反应的纽带。窖池的酒醅水分适宜,不但为窖池中的微生物生存代谢提供适宜条件,而且可以调节窖池内的发酵温度。入窖水分过高,会使酒醅糊化过度；入窖水分过低,会导致好氧杂菌繁殖旺盛,影响酒的风味[24]。采用控制酒醅与近酒醅环境的温差方法研究热季酒醅在高温高湿的环境中入窖后糟醅的水分变化情况。

2.1.1 入窖酒醅与近酒醅环境间温差试验

试验时,酒醅温度为22 ℃,含水量为55%,窖池环境相对湿度为85%,改变窖池环境与酒醅间的温差。分别以5组不同的温差进行实验数据采集,每组实验的温差分别为0、4、8、14、16 ℃,不同窖池深度的酒醅在2次糟醅入窖时间间隔内(约80 min)的酒醅含水量变化如图3所示。

图3 不同温差时2次入窖时间内酒醅的含水量变化情况Fig.3 Moisture changes of fermented grains in two pit times at different temperature differences

由图3知,在2次入窖时间间隔内,酒醅的含水量随温差与采样时间变化而变化,温差越大,采样时间间隔越久,酒醅含水量越多。同一温差下采集的实验样本,表层的酒醅含水量最多,底层酒醅含水量最少。随时间变化,表层酒醅的含水量增加速度越快。表层酒醅与近酒醅环境接触的面积最大,吸收近酒醅环境中遇冷时析出的水蒸气。而距表层酒醅5、10、15、20 cm深度的酒醅受酒醅的通透性、密度、窖池环境等其他因素影响,不同窖池深度的酒醅与近酒醅环境之间的含水量浸入存在差异。表层酒醅易于与近酒醅环境接触,吸收近酒醅环境温度,近酒醅环境析出的水蒸气降落到酒醅表面,增加酒醅的含水量。表层酒醅水分随着时间增加浸入到深层酒醅中,使得深层的酒醅的含水量增加,但增量较缓较少。

酒醅与环境之间的温差与酒醅含水量关系如图4所示。入窖的酒醅与窖池周围环境的温差为0 ℃时,酒醅的水分变化较缓。入窖的酒醅与窖池周围环境的温差为8 ℃时,酒醅的水分增加明显。当入窖的酒醅与窖池周围环境的温差为16 ℃时,窖池深度为0 cm的酒醅含水量增加了31.04%,窖池深度为10 cm的酒醅含水量增加了27.94%,窖池深度为20 cm的酒醅含水量增加了22.73%。在同一温差时,环境相对湿度不变,采样时间间隔越久,窖池中酒醅含水量越多。窖池周围环境的温度与酒醅进行热交换,低温的酒醅遇到高温的环境,酒醅吸收环境的热量,导致近酒醅环境温度下降,环境中水分溶解量下降,析出多余的水分降落到酒醅表面。而在高温高湿的环境中,窖池中的酒醅吸收近酒醅环境的温度,近酒醅环境降温,环境中析出的水蒸气降落到酒醅表面,窖池中酒醅表面温度也逐渐升高。

2.1.2 不同近酒醅环境相对湿度试验

热季白酒酿造车间属于高温高湿环境,酒醅温度为22 ℃,水分含量为55%,窖池环境温度设定为30 ℃。以窖池环境温度为定量,改变窖池环境湿度,以60%、70%、80%、90%、95%为相对湿度条件,分别采集不同窖池深度的酒醅含水量试验数据。不同窖池深度的酒醅在2次糟醅入窖时间间隔内(约80 min)的酒醅含水量变化如图5所示。

由图5知,入窖酒醅的含水量随环境相对湿度与采集时间间隔变化而变化。在2次入窖时间间隔内,环境相对湿度越大、酒醅采样时间间隔越久,酒醅的含水量增加越多。同一环境湿度、采样时间,表层酒醅的含水量增加越多。酒醅的含水量与环境的相对湿度差距越大,酒醅含水量增加越大。酒醅在窖池中深度越深,其酒醅含水量的增加量越少。在温差一定的情况下,高温高湿的近酒醅环境与入窖酒醅相接触,酒醅吸收近酒醅环境温度,近酒醅环境的含水量越高,环境的含水量更易达到饱和状态,析出的水分越快。其他深度的酒醅受酒醅的物理性质、窖池环境的影响,导致深层酒醅不易吸收环境中水分,酒醅含水量变化较缓。

a-温差0 ℃;b-温差4 ℃;c-温差8 ℃;d-温差12 ℃;e-温差16 ℃图4 5种不同温差的酒醅含水量变化图Fig.4 Variations of moisture content in fermented grains with five different temperature differences

图5 不同相对湿度2次入窖时间内酒醅含水量变化情况Fig.5 Changes of water content of fermented grains in two cellars with different relative humidity

不同深度的酒醅随环境相对湿度与采样时间间隔变化的酒醅含水量关系如图6所示。酒醅入窖的含水量与环境中相对湿度无明显差别时,酒醅的含水量变化情况不受采集时间间隔的影响。采样间隔时间一定时,酒醅含水量随环境的相对湿度增大而增加。当环境相对湿度达到95%时,在2次入窖时间间隔内,窖池深度为0 cm的酒醅含水量达到了87.68%,窖池深度为10 cm的酒醅含水量达到了85.42%,窖池深度为20 cm的酒醅含水量达到了82.76%。同一窖池深度的酒醅,采样时间间隔不变,环境的相对湿度越大,酒醅含水量增加越快。酒醅入窖时的含水量为55%～58%,环境的相对湿度可调范围60%～95%,酒醅入窖后与近酒醅环境进行水分偏移,时间越久,酒醅的含水量增加越多。

2.2 酒醅温度变化

在热季高温高湿环境中,酒醅的入窖温度决定酒醅发酵的质量。入窖温度过高,造成酒醅发酵速率快且升温猛,破坏酵母菌繁殖生存条件,同时淀粉损失大,产出酒带有酸味、苦涩等异杂味[25]。低温酒醅遇到高温高湿的环境,酒醅与窖池环境发生热传递现象,入窖后的酒醅出现回温现象。实验时,入窖酒醅温度为22 ℃,环境温度设为22、26、30、34、38 ℃共5种。记录在不同环境温度下,2次酒醅入窖时间间隔内的窖池中酒醅温度变化情况。入窖后的酒醅在2次入窖时间间隔内(80 min)温度变化如图7所示。

由图7可知,窖池酒醅温度随着近酒醅环境温度增加而增加,酒醅与近酒醅环境的温差越大,窖池酒醅的温度回升越快。试验发现,上层酒醅温度比中层、底层酒醅温度高,近酒醅环境温度38 ℃时,酒醅温度达到了最大值30.4 ℃。酒糟在2次入窖时间间隔内(80 min)受近酒醅环境影响产生回温,导致窖池周围环境温度变化,酒糟最终达到另一个温度值T。该过程主要存在2种原因导致酒醅升温,一是酒醅中微生物生长及糖化酶作用影响,该因素在酒醅入窖后80 min内酒醅处于即将发酵阶段,升温较小,几乎可以忽略;另一主要原因是低温入窖的酒醅遇到高温的近酒醅环境所产生的热传导现象,增加了酒醅的温度,这个主要原因有如公式(2)所示：

a-0 cm;b-5 cm;c-10 cm;d-15 cm; e-20 cm图6 5种不同窖池深度的酒醅含水量变化图Fig.6 Variation of water content of mash with five different pit depths

图7 2次入窖时间间隔内酒醅温度变化Fig.7 Temperature change of fermented grains within the time interval of two pit entry

H=M×CP(T-T0)

(2)

式中：M为酒糟质量,g；T为第2次酒糟入窖第1次入窖酒糟的温度,℃；T0为酒糟入窖时初始温度,℃；CP为窖池环境比热容，J/(kg·℃)；H为酒醅吸热量,J。

根据能量守恒定律,忽略损失能量,酒糟吸收热量近似等于环境释放放热,如公式(3)所示：

mCP,EΔT+mΔCHΔX=MCP(T-T0)

(3)

式中：m为近酒醅窖池周围气体质量,g;CP,E为窖池周围环境比热容，J/(kg·℃)；ΔCH为水蒸气潜热,J/mol；ΔX为空气绝对湿度变化,g/m3；ΔT为温度变化情况,℃。

在增加近酒醅环境温度同时,提高了窖池中的酒醅与近酒醅环境的温差,增加二者之间热传导速率,使其二者温差越大,窖池中的酒醅温度增长得越快。由傅里叶导热定律[26]如公式(4)所示：

(4)

式中：Q为导热速率,W；λ为导热系数,W/(m·℃)；S为导热面积,m2；dt/dn为温度梯度,℃/m。

导热速率与导热系数、导热面积、温度梯度呈正相关,在2次酒醅入窖时间间隔内,酒醅的导热速率与温差相关。

2.3 酒醅酸度变化

入窖酒醅在一定的酸度条件下,能够抑制杂菌的生长,为微生物的生长繁殖提供一个良好的环境,保证窖池内糟醅发酵的正常进行。酸度过高会抑制酵母菌的活性从而影响出酒率,酸度过低则会导致杂菌的大量繁殖,升温过快,影响糖化,进而影响酒体质量[27]。在高温高湿环境中,入窖酒醅的酸度由酒醅温湿度、窖池环境等因素决定。表层酒醅易与空气接触,水分增加量较大,为酒醅中好氧细菌提供适宜的生存代谢环境,加快其代谢速度,导致酸度增加。窖池深度越深,酒醅水分含量增幅小且好氧细菌不易与空气接触,无法充分提供适宜的代谢环境,酸度变化不明显。表层入窖后的酒醅在2次入窖时间间隔内酸度变化如图8所示。

图8 不同窖池深度与含水量的酒醅酸度变化Fig.8 Variation of mash acidity with different pit depth and water content

3 结论

热季酒醅在2次入窖时间内易吸收近酒醅环境的温湿度,改变窖池内酒醅的温度与水分,破坏了酒醅入窖条件。结果表明,窖池内酒醅的理化指标随酒醅与近酒醅环境的温差、近酒醅环境温湿度变化而变化。温差越大,近酒醅环境温湿度越高,酒醅入窖的温度与含水量增加越多。在同一时间内,随着酒醅深度的增加,酒醅的温度与含水量增加逐渐减缓,底层酒醅增加量最少。试验时,酒醅温度最高上升8.4 ℃,含水量最大增加30%左右。酒醅入窖酸度与入窖水分增加正相关,酒醅含水量增加将严重影响酒醅发酵。本研究揭示了热季酒醅在2次入窖时间间隔内温度、含水量、酸度变化情况,对研究热季酒醅入窖、发酵等工艺具有一定的借鉴意义。