我國傳統(tǒng)白酒釀造與工業(yè)酒精發(fā)酵的比較分析

龍 婷，余志晟*，汪 強(qiáng)，張洪勛

（1.中國科學(xué)院大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049；2.貴州茅臺酒股份有限公司，貴州 仁懷 564501）

白酒起源于中國，是一種由谷物自然發(fā)酵而成的蒸餾酒。白酒種類繁多，根據(jù)不同發(fā)酵方式（固態(tài)、液態(tài)、半固態(tài)等），糖化發(fā)酵劑類型（大曲、小曲、麩曲等）以及產(chǎn)品風(fēng)味（濃香、清香、醬香等）可劃分成不同種類[1]。不同種類的白酒由于釀造原料、酒曲種類、發(fā)酵方式和自然環(huán)境等不同而具有獨(dú)特的風(fēng)味[2]。白酒作為重要的發(fā)酵產(chǎn)品，豐富了中國人的生活，改善了中國人的日常飲食結(jié)構(gòu)，是中國飲食文化的重要組成部分[3]。

在傳統(tǒng)釀酒工業(yè)的基礎(chǔ)上，工業(yè)酒精發(fā)酵技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。20世紀(jì)初期，我國工業(yè)酒精開始起步，隨著生產(chǎn)技術(shù)的改善，酒精的產(chǎn)量和質(zhì)量不斷提高，各項(xiàng)生產(chǎn)指標(biāo)已達(dá)到國際領(lǐng)先水平，許多優(yōu)質(zhì)酒精遠(yuǎn)銷海外，帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。酒精作為重要的基礎(chǔ)化工原料，在農(nóng)業(yè)、化工、食品、醫(yī)療衛(wèi)生、國防工業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。我國工業(yè)酒精生產(chǎn)主要采用合成法與發(fā)酵法。合成法以石油裂解或焦炭煉制中得到的乙烯作為原料，通過一系列的工藝經(jīng)化學(xué)反應(yīng)合成酒精。發(fā)酵法是指微生物以淀粉質(zhì)和廢糖蜜等為原料經(jīng)微生物發(fā)酵生成酒精。合成法消耗大量化石燃料，不利于能源的可持續(xù)發(fā)展，而發(fā)酵法具有完善的生產(chǎn)工藝體系，生產(chǎn)設(shè)備簡單，能有效整合本地資源，能耗較低，因此被廣泛應(yīng)用。隨著酒精工業(yè)的不斷發(fā)展，酒精工業(yè)不再局限于傳統(tǒng)工藝，開發(fā)新興工藝、優(yōu)化生產(chǎn)條件、選育優(yōu)質(zhì)菌種等逐漸在工業(yè)酒精的研究領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位[4]。

一直以來，大量科研工作者從事傳統(tǒng)白酒釀造工藝的研究工作，工業(yè)酒精發(fā)酵技術(shù)也非常成熟，傳統(tǒng)釀酒與工業(yè)酒精發(fā)酵聯(lián)系密切又各有特點(diǎn)。本文基于中國傳統(tǒng)白酒釀造與工業(yè)酒精發(fā)酵技術(shù)的研究現(xiàn)狀，從生產(chǎn)原料、預(yù)處理方法、發(fā)酵工藝、相關(guān)菌種和酒精蒸餾技術(shù)等五方面對二者進(jìn)行了比較分析，以期對白酒釀造和酒精生產(chǎn)工業(yè)提供一些科學(xué)的參考，進(jìn)而改善白酒釀造工藝，優(yōu)化酒精生產(chǎn)技術(shù)，推動(dòng)傳統(tǒng)釀酒和酒精工業(yè)的發(fā)展。

1 生產(chǎn)原料的比較

釀酒原料是決定白酒質(zhì)量的重要因素之一。傳統(tǒng)釀酒以谷物作為主要原料，包括高粱、玉米、稻米、小麥、蕎麥、青稞等，以“小麥制曲，高粱釀酒”為主。小麥淀粉含量較高，黏著力強(qiáng)，所含氨基酸種類豐富，有利于微生物生長和代謝，是制曲的優(yōu)良原料[5]。高粱在眾多釀酒原料中使用最為廣泛，主要原因：高粱含有大量淀粉，出酒率高，口感舒適醇厚[6]。高粱耐旱，種植面積廣闊，市場價(jià)格低，作為釀酒原料可以降低生產(chǎn)成本[7]；此外，高粱中的單寧經(jīng)蒸煮發(fā)酵可產(chǎn)生特殊香氣并能抑制雜菌[8]。

與傳統(tǒng)釀酒相比，工業(yè)酒精發(fā)酵的生產(chǎn)原料來源更為豐富。工業(yè)酒精發(fā)酵原料除淀粉質(zhì)原料外，還有糖質(zhì)原料和纖維素原料[9]。糖質(zhì)原料包括甘蔗、甜菜、甜高粱及廢糖蜜等，通常含有大量的可發(fā)酵性糖，是生產(chǎn)酒精的良好原料[10]。另一類重要的生產(chǎn)原料是纖維素原料，纖維素原料通過生物發(fā)酵獲取燃料乙醇，實(shí)現(xiàn)資源可再生利用[11]。國家發(fā)改委在《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中指出，我國未來能源發(fā)展應(yīng)立足國內(nèi)自有技術(shù)力量，積極引進(jìn)、吸收國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，大力發(fā)展纖維素乙醇[12]。目前我國主要使用非糧經(jīng)濟(jì)作物如木薯、甜高粱等作為原料生產(chǎn)燃料乙醇，但考慮到原料價(jià)格、土地和水資源等因素，以農(nóng)作物秸稈和木材工業(yè)下腳料等農(nóng)林廢棄物作為原料更加經(jīng)濟(jì)、環(huán)保[13]。纖維素乙醇不僅可以減少纖維素廢棄物對環(huán)境的污染，還能利用地球上廣泛存在的纖維素生物質(zhì)，有利于緩解嚴(yán)峻的能源危機(jī)，是未來生物質(zhì)能源的重要發(fā)展方向之一。傳統(tǒng)釀酒與工業(yè)酒精發(fā)酵原料如表1所示。

表1 傳統(tǒng)釀酒與工業(yè)酒精發(fā)酵原料比較Table 1 Comparison of raw materials between traditional brewing and industrial alcohol fermentation

2 預(yù)處理方法的比較

在傳統(tǒng)釀酒過程中，由于谷物的淀粉通常以顆粒形式存在于細(xì)胞內(nèi)，淀粉受到細(xì)胞組織保護(hù)而不易水解，因此需要對原料進(jìn)行預(yù)處理以獲取細(xì)胞中的淀粉顆粒。傳統(tǒng)釀酒工藝中預(yù)處理包括對原料粉碎和蒸煮，目的是降低淀粉黏度使淀粉游離，最終使淀粉水解為可發(fā)酵性糖[18]，便于下一步的發(fā)酵。

工業(yè)酒精發(fā)酵過程中預(yù)處理占據(jù)著重要地位，預(yù)處理方法的選擇直接影響到生產(chǎn)酒精的成本和效率。以淀粉質(zhì)為原料生產(chǎn)工業(yè)酒精時(shí)，預(yù)處理方法和傳統(tǒng)釀酒類似，都需要粉碎和蒸煮，但工藝更加成熟完善，機(jī)械化程度更高。蒸煮工藝已逐漸從間歇蒸煮工藝發(fā)展到連續(xù)蒸煮工藝，此外還有無需蒸煮的生料發(fā)酵工藝，然而由于其液化和糖化效率較低未能得到廣泛應(yīng)用[19]。為了保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行，淀粉質(zhì)原料在粉碎之前需要除雜，去除原料中的泥土、沙石、粗纖維、金屬等雜質(zhì)。經(jīng)過處理的淀粉質(zhì)原料不能直接發(fā)酵，還需加入糖化劑，使淀粉質(zhì)原料轉(zhuǎn)變?yōu)榭砂l(fā)酵性糖，進(jìn)而在酵母菌的作用下轉(zhuǎn)化成乙醇。

與淀粉質(zhì)原料不同，以糖蜜為原料生產(chǎn)酒精時(shí)，原料中含有大量的可發(fā)酵性糖，因此無需蒸煮糖化，可以直接進(jìn)行酒精發(fā)酵。然而，糖蜜原料中糖濃度高，灰分和膠質(zhì)含量高，影響發(fā)酵過程中微生物的生長，因此發(fā)酵前必須對原料進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理過程包括五個(gè)步驟：1）稀釋：減小糖蜜濃度，降低滲透壓。2）酸化：在糖蜜中加入硫酸和鹽酸等，加速灰分與膠體物質(zhì)的沉淀，同時(shí)調(diào)節(jié)pH，為酵母的生長繁殖提供適宜條件。3）滅菌：對稀糖液滅菌以抑制雜菌生長。4）糖蜜澄清：去除膠體、灰分等沉淀。5）添加營養(yǎng)鹽：補(bǔ)充適量的氮源、磷源、鎂鹽與生長素等以維持酵母菌的生長。

以木質(zhì)纖維素作為原料生產(chǎn)乙醇時(shí)，由于木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)復(fù)雜，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三者難以有效分離，因此預(yù)處理是限制木質(zhì)纖維素生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為乙醇的瓶頸之一[20]。木質(zhì)纖維素原料的預(yù)處理方法復(fù)雜，主要包括物理法（機(jī)械粉碎、微波、輻射處理等）、化學(xué)法（酸、堿、有機(jī)溶劑、離子液體處理等）、物理-化學(xué)法（蒸汽爆破、氨纖維爆破等）和生物法（白腐菌、褐腐菌和軟腐菌降解等）4種[21]。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，不可能適用于所有的生物質(zhì)，因此需要結(jié)合原料特性和生產(chǎn)實(shí)踐選擇適宜的方法。此外，多種技術(shù)聯(lián)合處理能有效提高預(yù)處理效率，具有極大的發(fā)展?jié)摿22]。目前，木質(zhì)纖維素預(yù)處理技術(shù)仍是制約纖維素乙醇大規(guī)模投入生產(chǎn)的因素之一，開發(fā)低成本、高效率、環(huán)境友好的新型處理技術(shù)將是今后木質(zhì)纖維素生物質(zhì)預(yù)處理的一個(gè)重要研究方向。

3 發(fā)酵工藝的比較

不同種類的白酒由于原料不同導(dǎo)致釀造工藝存在差異，白酒釀造過程包括5個(gè)關(guān)鍵步驟：1）谷物的粉碎和蒸煮：高粱被磨碎以釋放細(xì)胞中的淀粉顆粒，蒸煮使淀粉水解，同時(shí)去除一些雜菌。2）冷卻拌曲：蒸煮后的谷物冷卻降溫至適宜溫度后與研磨成粉狀的大曲混合。3）固態(tài)發(fā)酵：發(fā)酵谷物與大曲按一定比例混合后入窖發(fā)酵。4）蒸餾：發(fā)酵結(jié)束后通過蒸餾去除雜質(zhì)獲得純的酒精。5）陳化：在陳化過程中各種芳香族化合物發(fā)生氧化還原、酯化、水解、縮合、分解等反應(yīng)而使得白酒具有獨(dú)特的香氣與口感。

工業(yè)酒精發(fā)酵工藝核心是將可發(fā)酵性糖在酵母菌作用下轉(zhuǎn)化生成乙醇，并蒸餾獲得酒精產(chǎn)品，但是將不同原料轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵性糖的工藝過程有所不同。以淀粉質(zhì)為原料生產(chǎn)酒精時(shí)，生產(chǎn)過程包括原料粉碎、拌曲、液化、糖化、發(fā)酵和蒸餾等工序[23]。纖維素乙醇的發(fā)酵工藝與淀粉質(zhì)酒精相似，主要包括預(yù)處理、水解、發(fā)酵、分離、蒸餾和精餾等步驟[24]。而以糖蜜為原料生產(chǎn)工業(yè)酒精時(shí)，由于糖蜜含有大量可發(fā)酵性糖，無需經(jīng)過蒸煮、糖化等工序，工藝成熟，設(shè)備簡單，生產(chǎn)周期短。隨著酒精發(fā)酵技術(shù)的不斷革新，除了傳統(tǒng)的發(fā)酵技術(shù)外，還出現(xiàn)了固定化酵母發(fā)酵技術(shù)、無蒸煮無糖化一步發(fā)酵技術(shù)、絮凝酵母發(fā)酵技術(shù)等多種新興技術(shù)，酒精發(fā)酵技術(shù)取得了較大的進(jìn)展[23]。

4 發(fā)酵過程微生物的比較

我國傳統(tǒng)白酒發(fā)酵采用微生物群落混合發(fā)酵，多種微生物通過復(fù)雜的代謝活動(dòng)及相互作用形成了白酒獨(dú)特的風(fēng)味物質(zhì)[25]。為了鑒定白酒的風(fēng)味物質(zhì)，季克良等[26]采用全二維氣相色譜飛行時(shí)間質(zhì)譜對茅臺酒微量成分進(jìn)行了研究，結(jié)果表明普通飛天茅臺中香氣香味成分達(dá)1000種以上。VAN-DIEP L E等[27]利用頂空固相微萃?。╤eadspace solid phase micro-extraction，SPME）和氣相色譜-質(zhì)譜（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）聯(lián)用的方法，從汾酒大曲中檢測到83種揮發(fā)性化合物，主要是酯類、酸類、醇類、酮類、醛類、吡嗪類和縮醛類等，這些揮發(fā)性化合物形成了白酒獨(dú)特的風(fēng)味。MINGORANCE-CAZORLAL等[28]分析了12種不同酵母對釀酒過程的影響，發(fā)現(xiàn)其中一些酵母菌能提高發(fā)酵過程乙酸乙酯和乙醇的濃度，對改善白酒的風(fēng)味起到促進(jìn)作用。

傳統(tǒng)白酒釀造過程的微生物來源復(fù)雜，趙爽等[29]對不同香型白酒中的微生物進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)微生物的主要來源為酒曲、酒醅和窖泥。酒曲中含有大量的微生物，可以將谷物中的淀粉經(jīng)糖化、發(fā)酵等過程轉(zhuǎn)化成乙醇。酒曲根據(jù)原料和制作工藝不同可分為大曲、小曲、麩曲[30]。不同類型的酒曲中微生物種類和數(shù)量不同，存在酶系種類和酶活力的差異。與小曲和麩曲相比，大曲含有數(shù)量和品種最多的微生物，風(fēng)味更加豐富，因此傳統(tǒng)的固態(tài)發(fā)酵多以大曲作為糖化發(fā)酵劑[31]。白酒釀造過程的微生物的另一個(gè)來源是酒醅，酒醅即經(jīng)充分發(fā)酵的谷物，酒醅中原核生物來自大曲和窖泥，微生物群落與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對不同陳年窖泥的微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行了評價(jià)，發(fā)現(xiàn)窖泥微生物包括細(xì)菌、真菌和放線菌等，窖池中的微生物群落對白酒的質(zhì)量和產(chǎn)量有顯著影響。中國傳統(tǒng)釀酒過程中，微生物及其酶系極大地影響了白酒的風(fēng)味、酒質(zhì)和產(chǎn)率，在白酒生產(chǎn)過程中發(fā)揮了重要作用[34]。

根據(jù)分離檢測，霉菌、細(xì)菌和酵母菌是白酒生產(chǎn)過程主要的微生物[35]，如表2所示。

表2 傳統(tǒng)釀酒過程的微生物種類Table 2 Microbial species during traditional brewing

與傳統(tǒng)白酒的群落共發(fā)酵不同，工業(yè)酒精生產(chǎn)主要采用純種發(fā)酵，從酒精生產(chǎn)過程中篩選出起主要作用的優(yōu)勢微生物經(jīng)純化培養(yǎng)后用于工業(yè)生產(chǎn)，能有效地提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性。在淀粉質(zhì)和糖蜜為原料生產(chǎn)工業(yè)酒精生產(chǎn)過程中，微生物主要來源于糖化劑和發(fā)酵劑。糖化劑可以使淀粉全部或部分轉(zhuǎn)化成葡萄糖等可發(fā)酵性糖，隨后在發(fā)酵劑的作用下轉(zhuǎn)化為酒精。纖維素乙醇技術(shù)中的關(guān)鍵步驟是將纖維素轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵性糖，纖維素降解過程主要的功能微生物包括真菌和細(xì)菌兩大類[40]，其中白腐菌、褐腐菌、軟腐菌等真菌降解木質(zhì)纖維素的過程和機(jī)理一直是纖維素乙醇領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)并取得了巨大的進(jìn)展。具有纖維素降解能力的細(xì)菌包括鏈霉菌、微桿菌、假單胞菌、芽孢桿菌等好氧細(xì)菌和脫硫微菌等少數(shù)厭氧細(xì)菌以及部分極端細(xì)菌如嗜熱厭氧菌等。

與真菌相比，細(xì)菌具有豐富的生物多樣性，能適應(yīng)強(qiáng)酸強(qiáng)堿及高溫等極端環(huán)境，因此，細(xì)菌降解木質(zhì)纖維素在未來具有較大的潛力[41]。工業(yè)酒精生產(chǎn)過程相關(guān)微生物如表3所示。

表3 工業(yè)酒精發(fā)酵過程的微生物種類Table 3 Microbial species during industrial alcohol fermentation

5 酒精脫水技術(shù)的比較

傳統(tǒng)釀酒工藝中，酒醅中酒精度數(shù)較低，含有一些發(fā)酵副產(chǎn)物，必須通過蒸餾提純才能獲得白酒。白酒由于固態(tài)發(fā)酵模式而采用獨(dú)特的甑桶蒸餾方式[42]。在蒸餾過程中，由于沸點(diǎn)較低，酒精會率先汽化而被分離出來。蒸餾過程應(yīng)使用小火，并去除雜質(zhì)多、濃度低的酒頭與尾酒，即“留前去后，去頭掐尾”。經(jīng)蒸餾所得的原酒度數(shù)較高，雜質(zhì)含量低，可以存放多年。

在工業(yè)酒精生產(chǎn)過程中，由于發(fā)酵液中含有一些發(fā)酵副產(chǎn)物如醇、醛、酸、酯等，需要采用蒸餾的方法來分離純化進(jìn)而得到高濃度酒精。工業(yè)酒精生產(chǎn)過程中常用的蒸餾方式有簡單蒸餾，精餾與特殊蒸餾等。由于產(chǎn)品質(zhì)量要求不同，所采用的蒸餾方式也不同。單塔式、雙塔式和三塔式蒸餾是3種主要的酒精蒸餾工藝。單塔式蒸餾工藝由于設(shè)備簡單，生產(chǎn)出來的酒精質(zhì)量較差，難以達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，所以很少使用。雙塔式蒸餾工藝包含粗餾塔和精餾塔兩個(gè)主要設(shè)備，粗餾塔可以去除酒糟等固體物從而將酒精分離出來。精餾塔將分離出來的酒精進(jìn)行濃縮，并排除大部分揮發(fā)性物質(zhì)。三塔式蒸餾工藝在雙塔工藝的基礎(chǔ)上增加了排醛塔排除醛酯類頭級雜質(zhì)。三種工藝各有優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)成熟醪特性和對酒精產(chǎn)品的要求不同，選擇適合的酒精蒸餾工藝。

6 結(jié)論

我國傳統(tǒng)釀酒工藝復(fù)雜，蘊(yùn)含著風(fēng)味化學(xué)、微生物生長、固態(tài)發(fā)酵、微生物群落代謝等豐富知識，以更加深入、系統(tǒng)的方式對傳統(tǒng)釀酒工藝進(jìn)行研究，探索其背后的科學(xué)原理，將有利于推動(dòng)白酒工業(yè)的發(fā)展。雖然我國傳統(tǒng)釀酒工藝經(jīng)過數(shù)千年的時(shí)間不斷發(fā)展已經(jīng)形成了比較完善的工藝體系，但仍然有改進(jìn)和發(fā)展的空間。工業(yè)酒精發(fā)酵是在傳統(tǒng)釀酒技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，二者一脈相承又各具特色。通過對傳統(tǒng)白酒釀造與工業(yè)酒精發(fā)酵進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明，傳統(tǒng)白酒釀造和工業(yè)酒精發(fā)酵差異顯著，生產(chǎn)原料、預(yù)處理方法、發(fā)酵工藝、生產(chǎn)過程相關(guān)微生物以及酒精蒸餾技術(shù)等方面均有所不同，二者各有其優(yōu)缺點(diǎn)。通過對二者的比較研究，有利于進(jìn)一步探索有關(guān)白酒釀造過程的工藝特性和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，對促進(jìn)我國白酒釀造的科學(xué)化和現(xiàn)代化具有現(xiàn)實(shí)意義。未來釀酒工業(yè)的發(fā)展應(yīng)該將傳統(tǒng)工藝與現(xiàn)代科技相結(jié)合，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，減少對糧食等原輔材料的消耗，對釀酒過程產(chǎn)生的廢物進(jìn)行資源化利用，降低生產(chǎn)過程的能耗并減少環(huán)境污染。對于酒精工業(yè)的發(fā)展，則可以從傳統(tǒng)釀酒中選育優(yōu)勢菌種用于酒精的工業(yè)生產(chǎn)，進(jìn)而優(yōu)化工藝控制，提高酒精產(chǎn)率與質(zhì)量。