生料發(fā)酵白酒超聲陳化條件

吳佳敏，伍時(shí)華，楊曉，黃瑤*，易弋

1. 廣西科技大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院（柳州 545006）；2. 廣西科技大學(xué)廣西糖資源綠色加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（柳州 545006）；3. 廣西科技大學(xué)廣西高校糖資源加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（柳州 545006）

在我國，生料發(fā)酵法最早應(yīng)用于釀酒工業(yè)，以酒精發(fā)酵為切入點(diǎn)。生料發(fā)酵研究雖然起步晚，但發(fā)展快，20世紀(jì)90年代后期，僅生產(chǎn)白酒1項(xiàng)，年產(chǎn)量達(dá)到30萬 t。白酒傳統(tǒng)的自然陳釀技術(shù)，是將蒸餾出的白酒密封保存在陶罐或特制的容器中[1]，陳釀后的白酒口感協(xié)調(diào)甘綿柔和，但其消耗的時(shí)間過長，不適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)[2]。近年來，中國白酒催陳方面的技術(shù)迅速提高，并相繼得到應(yīng)用[3-4]，曹志新等[5]采用20 kHz超聲波，對白酒處理60 min時(shí)，感官評(píng)分從83分提升到90分。楊婷等[6]對不同香型的白酒進(jìn)行微波陳化后發(fā)現(xiàn)，在微波40 ℃處理45 min時(shí)，白酒的總酸提高約0.2 g/L，總酯約提高0.4 g/L。

試驗(yàn)利用粳米、糯米、玉米粉、高粱粉、小麥粉5種原料生料發(fā)酵，將發(fā)酵液蒸餾分段取得（63%vol）的白酒進(jìn)行超聲波陳化。超聲波陳化的方法可以通過增加各類物質(zhì)分子活化能[7]，以及水、醇、醛、酸、酯等極性分子的親和力，增強(qiáng)乙醇和水分子締合度，形成大且牢固的極性分子的締合群[8]，改善生料法發(fā)酵白酒的口感，并使酒中產(chǎn)生羥自由基，這些羥基自由基是氧化反應(yīng)和酯化反應(yīng)的必要條件，促進(jìn)酒中氧化反應(yīng)進(jìn)行，加快酯化反應(yīng)進(jìn)度[9-11]，提高白酒中酯的含量。超聲波陳化與自然陳釀相比，所用時(shí)間較短，更適合工業(yè)化生產(chǎn)。該方法改善生料法發(fā)酵白酒的品質(zhì)并為生料法發(fā)酵的白酒陳化提供參考。

1 材料與方法

1.1 釀酒原料與方法

粳米、糯米（廣西柳州市售）；玉米粉、小麥粉、高粱粉（市售）；酒曲（四川新華揚(yáng)山野生物有限公司）。

室溫下，粳米、糯米、玉米粉、小麥粉、高粱粉5種糧食生料發(fā)酵，料水比1︰2.8，按照原料用量，酒曲添加0.8%，單發(fā)酵（前期發(fā)酵）28 d，混合發(fā)酵1︰1（后期發(fā)酵）7 d。將發(fā)酵液蒸餾分段取酒所得63%vol白酒進(jìn)行超聲陳化試驗(yàn)。

1.2 主要試劑、儀器與設(shè)備

氫氧化鈉、甲基紅、鄰苯二甲酸氫鉀（均為分析，純西隴科學(xué)股份有限公司）；酚酞（分析純，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所）；無水碳酸鈉、硫酸（均為分析純，西隴化工股份有限公司）；溴甲酚綠（分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；乙醇（色譜純，安徽時(shí)聯(lián)特種溶劑有限公司）。

超聲波清洗器（KQ-500DE型，昆山市超聲儀器有限公司）；氣相色譜儀磐諾（A91，常州磐諾儀器有限公司）；HH系列數(shù)顯恒溫水浴鍋（金壇市科析儀器有限公司）。

1.3 超聲波處理方法

對分段取酒所得63%vol（總酸0.344 4 g/L，總酯1.355 2 g/L）白酒裝入100 mL密閉玻璃瓶中各60 mL。放入超聲儀中，設(shè)置不同的超聲功率、時(shí)間、溫度進(jìn)行陳化。

1.3.1 超聲條件的確定

超聲功率、時(shí)間、溫度的確定：選擇超聲功率、時(shí)間、溫度為單因素，3個(gè)因素中固定其中2個(gè)因素，改變另一個(gè)因素的水平。改變單因素水平分別為：功率200，250，300，350和400 W；時(shí)間15，25，35，45和55 min；溫度30，35，40，45和50 ℃。對超聲所得白酒進(jìn)行理化指標(biāo)的測定。

1.3.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過單因素試驗(yàn)對超聲條件的確定，選取超聲功率、超聲時(shí)間、超聲溫度進(jìn)行3個(gè)水平的L9(33)正交試驗(yàn)，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。采用綜合平衡分析法與矩陣法確定出超聲的最佳條件組合。因素水平見表1。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

1.3.3 綜合平衡分析法分析多指標(biāo)的正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)

對每個(gè)指標(biāo)分別進(jìn)行直觀分析，得到每個(gè)因素影響白酒的主次順序和最佳水平組合，根據(jù)理論知識(shí)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對各指標(biāo)的分析結(jié)果進(jìn)行綜合比較和分析，得出較優(yōu)組合[12]。

1.3.4 矩陣分析法分析多指標(biāo)的正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)

對于n個(gè)因素、m個(gè)水平的正交試驗(yàn)，采用矩陣分析法進(jìn)行驗(yàn)證[13-14]。給出矩陣定義。

定義1：正交試驗(yàn)中有I個(gè)因，每個(gè)因素有m個(gè)水平，因素Ai第j個(gè)水平上的試驗(yàn)指標(biāo)的平均值為kij，如果試驗(yàn)結(jié)果的考察指標(biāo)是越大越好，則令Kij=kij，如果試驗(yàn)結(jié)果的考察指標(biāo)是越小越好，則令Kij=1/kij，建立矩陣如式（1）。

定義3：水平層矩陣，正交試驗(yàn)中因素Ai的極差為建立矩陣式（3）。

定義4：影響試驗(yàn)指標(biāo)值的權(quán)矩陣k=MTS。

矩陣中K1=K11T1S1，K11T1為是因素A1第1個(gè)水平的指標(biāo)值占因素A1所有水平的指標(biāo)值總和的因素A1的極差占所有因素的極差總和的比，二者乘積的數(shù)值不僅能反映因素A1第1個(gè)水平對指標(biāo)值的影響程度，而且也能反映因素A1極差大小。其他因素和水平也是如此。通過計(jì)算，可得出各因素各水平對試驗(yàn)結(jié)果考察指標(biāo)影響的權(quán)重，根據(jù)權(quán)重能夠得出最優(yōu)方案及影響因素的主次順序。

1.3.5 理化指標(biāo)的測定

參照國標(biāo)GB/T 10345—2007《白酒分析方法》[15]測定中總酸含量的酸堿滴定法，計(jì)算如式（5）。

式中：X為樣品中總酸的質(zhì)量濃度（以乙酸計(jì)），g/L；C為氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的實(shí)際濃度，mol/L；V為測定時(shí)消耗氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液體積，mL；60為乙酸的摩爾質(zhì)量數(shù)值，g/mol[M（CH3COOH）=60]；50.0為吸取樣品體積，mL。

總酯含量的測定采用國標(biāo)GB/T 10345—2007《白酒分析方法》中的指示劑法，總酯含量計(jì)算如式（6）。

式中：X為樣品中總酯的質(zhì)量濃度（以乙酸乙酯計(jì)），g/L；C為硫酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的實(shí)際濃度，mol/L；V0為空白試驗(yàn)樣品消耗硫酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液體積，mL；V1為樣品消耗硫酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液體積，mL；88為乙酸乙酯的摩爾質(zhì)量數(shù)值，g/mol，[M（CH3COOC2H5）=88]；50.0為吸取樣品體積，mL。

乙醇的測定采用氣相色譜法[16]，TM-930毛細(xì)管柱（25 m×0.53 mm×1.00 μ m）；載氣：氮?dú)猓?9.99%），分流進(jìn)樣，分流比10︰1，進(jìn)樣體積2 μL，進(jìn)樣口溫度220 ℃，檢測器溫度250 ℃。升溫程序：初始柱溫80 ℃，保持2 min，以10 ℃/min速率升溫至180 ℃，保持3 min。

1.3.6 感官品質(zhì)測評(píng)

研究由6人組成感官評(píng)價(jià)小組，針對白酒的顏色、口感、氣味、風(fēng)格4項(xiàng)指標(biāo)按總分100分進(jìn)行品評(píng)，色占10分，香占25分，味占50分，風(fēng)格占15分。評(píng)分員通過視、嗅、味等感官對產(chǎn)品色、香、味、風(fēng)格進(jìn)行綜合描述、評(píng)分，白酒品嘗評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)[4]。

表2 白酒品嘗評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

1.3.7 正交試驗(yàn)驗(yàn)證

選取同一批次的白酒（63%vol）分裝3個(gè)100 mL密閉玻璃瓶中各60 mL。利用超聲最佳條件參數(shù)對白酒進(jìn)行超聲陳化。分析超聲所得白酒總酸、總酯、乙醇及感官評(píng)分變化關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲功率對白酒理化指標(biāo)的影響

如圖1可知，隨著超聲功率增加，酒中游離乙醇與酸類物質(zhì)發(fā)生酯化反應(yīng)，導(dǎo)致總酸下降[17]。超聲功率300 W時(shí)，總酯上升0.12 g/L，此時(shí)的感官78.92分，酒色透明，但香氣不正。超聲功率350 W時(shí)，總酯上升到0.30 g/L，乙醇也相對趨于穩(wěn)定，感官評(píng)分為77分，無色透明，香氣純正，口感比較柔和。對于沒有經(jīng)過自然陳釀的白酒直接超聲陳化，感官評(píng)價(jià)也達(dá)到較好等級(jí)。

功率400 W時(shí)，總酸又開始上升，總酯開始下降，可能是超聲波空化效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)使酒中生成高溫、高壓的極端微環(huán)境，增強(qiáng)分子活性，促進(jìn)酸類形成[18]，乙醇開始下降，感官評(píng)分下降到73.83分。說明功率越高，總酸越不穩(wěn)定，并且超聲波處理對酒體施加外來能量場，破壞原有平衡，導(dǎo)致酯類主要像分解反應(yīng)進(jìn)行[19]。綜合考慮，在功率300 W時(shí)，感官評(píng)分最高，但酯香不足，功率350 W時(shí)，總酯最高，香氣純正，感官評(píng)分與300 W時(shí)相差不大，因此選取超聲的最適功率為350 W。

圖1 超聲功率對白酒理化指標(biāo)的影響

2.2 超聲時(shí)間對白酒理化指標(biāo)的影響

由圖2可知，超聲時(shí)間15 min時(shí)，總酸下降0.007 2 g/L，總酯上升0.274 7 g/L，是由于醇與酸發(fā)生的酯化反應(yīng)所導(dǎo)致的。超聲25 min后，超聲波增強(qiáng)分子活性，促進(jìn)酸類形成，導(dǎo)致總酸升高。乙醇也明顯降低，一部分是由于酯化反應(yīng)導(dǎo)致，另一部分由于超聲時(shí)間過長，超聲波中的水溫升高，乙醇有一定揮發(fā)。只有在超聲25 min時(shí)，總酸含量為0.320 4 g/L，總酯達(dá)到1.663 g/L，感官評(píng)分83.5分，無色透明，香氣可佳。雖然在超聲35 min時(shí)，總酯1.746 g/L，但感官評(píng)分只有77.42分，酒色不純，醇香不足，還帶微酸。因此，考慮選取超聲的最適時(shí)間為25 min。

2.3 超聲溫度對白酒理化指標(biāo)的影響

如圖3，超聲溫度30 ℃時(shí)，總酸提高0.010 8 g/L，可能在超聲過程中，醇被氧化成酸所導(dǎo)致。超聲溫度40 ℃時(shí)，總酸0.345 6 g/L，總酯1.496 5 g/L，感官評(píng)分76.83分，口感醇正，無色透明，乙醇基本保持不變。隨著溫度升高，總酸開始不穩(wěn)定，緩慢上升，乙醇開始出現(xiàn)明顯下降趨勢，說明溫度越高，乙醇揮發(fā)越快。超聲溫度50 ℃時(shí)，口感不正，有酸味，酒色不純，感官評(píng)價(jià)75分。只有在40 ℃超聲時(shí)，感官評(píng)價(jià)最高，口感醇正，無色透明。因此確定最適超聲溫度40 ℃。

圖2 超聲時(shí)間對白酒理化指標(biāo)的影響

圖3 超聲溫度對白酒理化指標(biāo)的影響

2.4 正交試驗(yàn)結(jié)果

在單因素基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)L9(33)正交試驗(yàn)，以總酯和感官評(píng)分為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果見表3。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

總酯R的順序?yàn)锳＞C＞B，白酒的主要香氣成分是酯類物質(zhì)，因此，酯類越高，白酒越香，影響白酒酯類物質(zhì)升高的主要因素是超聲時(shí)間，其次是超聲溫度和超聲功率，得出的最優(yōu)配方是A3B3C1；感官評(píng)價(jià)極差R的順序?yàn)锳＞B＞C，感官評(píng)分越高，說明白酒的色、香、味越好，受喜愛程度越高，得出最優(yōu)配方是A3B1C3。影響感官的主要時(shí)間，其次是功率和溫度。結(jié)果得不到一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因此采用綜合平衡法和矩陣法進(jìn)行比較分析。

2.5 綜合平衡分析法分析多指標(biāo)的正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)

對于白酒的超聲時(shí)間，是影響白酒總酯和感官最主要的因素，總酯最高為K3（173.786），感官評(píng)價(jià)為K3（81.267），總酯和感官都達(dá)到最高并一致，因此考慮選擇K3；對于白酒超聲功率，總酯最高為K3（170.621），感官評(píng)價(jià)為K1（81.067），考慮到總酯的K1與K3相差0.434，感官評(píng)價(jià)K1與K3相差0.734，而且，超聲功率是影響感官的次要因素，相對于總酯來說比較重要，因此選擇K1；對于白酒的陳化溫度，總酯最高K1（171.888），感官評(píng)價(jià)最高為K3（80.833），但相比于感官評(píng)價(jià)，陳化溫度是影響總酯的次要因素，對感官的影響并不是很大，所以選擇K1。綜合平衡法得到的最佳參數(shù)組合為A3B1C1。

2.6 矩陣分析法分析多指標(biāo)的正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)

采用綜合平衡分析法對各指標(biāo)的評(píng)價(jià)具有一定主觀性，尤其是對于多指標(biāo)且無法評(píng)定主次或各指標(biāo)同等重要的情況，無法做到科學(xué)、客觀。矩陣分析法在分析多指標(biāo)的正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)更具優(yōu)越性。對試驗(yàn)結(jié)果分別建立總酯、感官評(píng)價(jià)的指標(biāo)矩陣M、因素層矩陣T、水平層矩陣S、以及各指標(biāo)的權(quán)矩陣E，2個(gè)指標(biāo)的總權(quán)矩陣為Y，運(yùn)算過程如式（7）～（15）所示。

由矩陣運(yùn)算可得出，總權(quán)矩陣Y，Y值即為不同因素不同水平下對應(yīng)的權(quán)重，影響總酯和感官的因素主次順序依次為A＞C＞B，最佳條件參數(shù)組合為A3B1C1，超聲功率300 W，超聲時(shí)間35 min，超聲溫度35 ℃，與綜合平衡分析法一致。相比于綜合平衡分析法，矩陣分析方法的過程相對簡單明，通過計(jì)算權(quán)矩陣，可直接得到各因素的優(yōu)水平，以及因素主次順序，并且結(jié)果較準(zhǔn)確。

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

利用優(yōu)化后超聲條件處理的63%vol白酒與陳化之前的白酒進(jìn)行對比驗(yàn)證，結(jié)果見表4。

優(yōu)化后超聲條件處理的白酒總酸下降8%，總酯上升27%，乙醇下降6%，感官評(píng)分提高18%?？傰ド仙且?yàn)榇己退嵝纬甚セ磻?yīng)，而酸的降低與酯的升高不成正比，是由于在超聲過程中，有一部分醇被氧化成酸，另一部分會(huì)隨著超聲而揮發(fā)，導(dǎo)致總酸下降較少，乙醇下降較多。

表4 驗(yàn)證試驗(yàn)

4 結(jié)論

通過單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，結(jié)合超聲陳化白酒的總酯和感官評(píng)價(jià)2個(gè)考察指標(biāo)，確定最佳條件參數(shù)為：超聲功率300 W，超聲時(shí)間35 min，超聲溫度35 ℃?？傰ヌ岣?7%，感官提高18%。理化指標(biāo)達(dá)到（GB/T 20822—2007）國家固液法發(fā)酵白酒的標(biāo)準(zhǔn)。感官達(dá)到GB/T 10781.1—2006《濃香型白酒》的一級(jí)水平（總酸≥0.3 g/L，總酯≥1.5 g/L）。

超聲波陳化可在較短時(shí)間提高白酒酯含量，改善白酒口感，適應(yīng)現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展，縮短生料法發(fā)酵白酒自然陳釀周期。為生料法發(fā)酵白酒的陳釀技術(shù)及后續(xù)追蹤試驗(yàn)提供參考。