高溫高濕環(huán)境對(duì)酒醅入窖理化指標(biāo)影響

曾祥林,庹先國(guó)1,*,張貴宇1,,3*,范燾1,,3,翟雙,陳霏

1(人工智能四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 宜賓,644000) 2(四川輕化工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院,四川 宜賓,644000) 3(西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院,四川 綿陽(yáng),621010)

固態(tài)發(fā)酵是中國(guó)白酒釀造獨(dú)特工藝,酒醅入窖是濃香型白酒釀制工藝中連接攤晾與發(fā)酵環(huán)節(jié)之間的重要技術(shù),適宜的入窖條件為窖池中微生物生長(zhǎng)繁殖及代謝活動(dòng)提供環(huán)境,提高酒醅發(fā)酵的質(zhì)量[1-2]。

在熱季高溫高濕的釀造環(huán)境中,酒醅在入窖后易出現(xiàn)凝露現(xiàn)象,改變酒醅的理化指標(biāo),影響酒醅發(fā)酵[3-4]。凝露是指在高溫、高濕的釀造環(huán)境中遇到低溫入窖的酒醅時(shí),當(dāng)入窖酒醅溫度小于環(huán)境露點(diǎn)溫度,酒醅表面會(huì)發(fā)生水珠凝結(jié)現(xiàn)象,增加入窖酒醅的水分[5-7]。目前,國(guó)內(nèi)外主要在電力、暖通、農(nóng)業(yè)等方面對(duì)凝露現(xiàn)象進(jìn)行了研究[8-12]。通過(guò)控制高壓開關(guān)柜[13]、空調(diào)、糧堆[14]的內(nèi)外溫濕度,構(gòu)建多場(chǎng)時(shí)空耦合模型,防止發(fā)生凝露現(xiàn)象。入窖的酒醅受高溫高濕環(huán)境影響,在2次入窖時(shí)間間隔內(nèi),窖池的酒醅水分、溫度、酸度等發(fā)生改變,破壞酒醅入窖條件。酒醅入窖水分影響酒醅的透氣性、疏松度和溶氧量,入窖水分過(guò)高易造成糖化發(fā)酵過(guò)快,酒醅的比熱、黏度、導(dǎo)熱性增加,溫度上升速率快,酒醅酸度增加；入窖水分過(guò)低,酒醅發(fā)干影響糟醅正常發(fā)酵,酒質(zhì)味苦糙辣[15]。酒醅入窖溫度直接影響酒質(zhì)與產(chǎn)量,溫度過(guò)高,影響微生物的活力,阻礙發(fā)酵；溫度過(guò)低,酒醅主發(fā)酵時(shí)間過(guò)長(zhǎng)[16]。適宜的入窖酸度有利于糊化與糖化作用,抑制有害雜菌的生長(zhǎng)繁殖[17]。國(guó)內(nèi)學(xué)者研究了不同香型酒醅的入窖條件[18]、糟醅的發(fā)酵機(jī)理[19]、溫度微生物[20-21]對(duì)酒質(zhì)的影響等問(wèn)題,從釀造環(huán)境[22-23]、酒醅入窖的理化指標(biāo)、發(fā)酵工藝等方面改善酒體質(zhì)量。

本文擬研究在高溫高濕環(huán)境中,入窖酒醅在2次入窖時(shí)間間隔內(nèi)的含水量、溫度、酸度變化規(guī)律。樣品采集于每次入窖后的酒醅,2次入窖時(shí)間間隔為第1次酒醅入窖與第2次酒醅入窖的時(shí)間差。通過(guò)控制不同的入窖溫濕度,研究入窖酒醅理化性質(zhì)與入窖環(huán)境的相互關(guān)系,為夏季酒醅入窖提供基礎(chǔ)性指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

酒醅樣品采集于宜賓某多糧濃香型酒廠,選取正常生產(chǎn)的2口窖池進(jìn)行采樣。樣品采集時(shí)間2020年6～8月。采樣方法：把待入窖的酒醅放置于自建的濃香型窖池中,把窖池置于溫濕度可控環(huán)境內(nèi)。酒醅入窖后,每隔20 min取樣1次,即酒醅入窖0、20、40、60、80 min采樣,共采樣5次。本實(shí)驗(yàn)采樣于每次入窖后的酒醅,采樣時(shí)間為2次入窖時(shí)間間隔內(nèi),酒醅入窖實(shí)驗(yàn)?zāi)M圖如圖1所示。

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

實(shí)驗(yàn)時(shí)采用甑鍋體積大小為0.4,根據(jù)自建濃香型窖池尺寸計(jì)算得出酒醅入窖厚度為23 cm左右,故分別選擇采集距窖池表面0、5、10、15、20 cm共5種不同距離的酒醅。選取窖池區(qū)域5個(gè)位置作為采樣點(diǎn),用符號(hào)A1、A2、A3、A4、A5表示,其中符號(hào)A、B、C、D、E表示不同窖池深度,取平均值以提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。如：酒醅第3次入窖后放置于窖池窖池3號(hào)區(qū)域,待第4次入窖到來(lái)時(shí),測(cè)量出第3次入窖酒醅受窖池環(huán)境的影響的關(guān)系,采樣點(diǎn)如圖2所示。

試劑：0.1 mol/L NaOH溶液、1%酚酞溶液。

圖2 酒醅取樣點(diǎn)示意圖Fig.2 Schematic of sampling sites

1.2 儀器與設(shè)備

180 cm×100 cm×120 cm濃香型窖池,自建；智能無(wú)線溫度測(cè)量?jī)x器,自建；5.0 m×4.0 m×3.0 m溫濕度可控環(huán)境,自建；FA2204 N電子天平,上海菁海儀器有限公司；RP-9050A干培兩用箱,上海雙旭電子有限公司；FLIR A615紅外熱成像儀,美國(guó)菲力爾公司；DT-8896紅外干濕計(jì),深圳市華盛昌科技實(shí)業(yè)股份有限公司;Testo6682露點(diǎn)儀,北京中儀聯(lián)眾科技開發(fā)有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 酒醅溫度測(cè)量

選用紅外熱成像儀對(duì)窖池內(nèi)表層酒醅的測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)溫,同時(shí)在FLIR Tools+軟件中記錄測(cè)量點(diǎn)不同時(shí)刻的溫度變化情況,取平均溫度作為表層酒醅的溫度。同時(shí)采用智能無(wú)線溫度測(cè)量?jī)x器分別測(cè)量測(cè)量點(diǎn)不同深度酒醅的溫度,同一層酒醅的平均溫度作為該層酒醅的最終溫度。

1.3.2 酒醅水分的測(cè)定

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 5009.3—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測(cè)定》,對(duì)酒醅含水量采用直接干燥法進(jìn)行測(cè)定。

1)烘干蒸發(fā)皿。將干凈的蒸發(fā)皿放入干培兩用箱內(nèi),100 ℃烘1 h后取出冷卻至室溫,進(jìn)行稱重,再烘30 min,再稱重。2次稱蒸發(fā)皿質(zhì)量之差不超過(guò)0.005 g,即為蒸發(fā)皿的恒重。

2)烘干酒醅。在2次入窖間隔時(shí)間(80 min)內(nèi),在窖池內(nèi)以不同時(shí)間、不同取樣位置取出酒醅。每個(gè)時(shí)間點(diǎn)、每個(gè)位置取出3份酒醅,每份酒醅質(zhì)量5 g,并進(jìn)行標(biāo)號(hào)記錄。將取出酒醅放入干培兩用箱中,100 ℃烘8 h后,取出冷卻至室溫進(jìn)行稱重。稱完后放入干培兩用箱中進(jìn)行復(fù)烘,每隔1 h取出冷卻稱重,直到相鄰2次烘干后質(zhì)量差不超過(guò)0.005 g。以最后一次稱重質(zhì)量為酒醅與蒸發(fā)皿烘干后的質(zhì)量,并記錄每份酒醅的烘干后的質(zhì)量。

3)建立數(shù)學(xué)模型。根據(jù)直接干燥法計(jì)算糟醅水分含量，如公式(1)所示：

(1)

式中：m1,干燥前酒醅與蒸發(fā)皿的質(zhì)量;m2,干燥后酒醅與蒸發(fā)皿的質(zhì)量;m3,干燥前酒醅質(zhì)量。

1.3.3 酒醅酸度測(cè)量

酸堿滴定法測(cè)定：參照DB 34/T 2264—2014《固態(tài)發(fā)酵酒醅分析方法》。

1.3.4 窖池環(huán)境溫濕度測(cè)量

將紅外干濕計(jì)放置表層酒醅采樣點(diǎn)位置,紅外干濕計(jì)與測(cè)量點(diǎn)位置的酒醅表面高度3 cm左右。采用以太網(wǎng)方式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)入窖后酒醅的近酒醅表面環(huán)境的溫濕度變化情況,以取樣點(diǎn)時(shí)間前后1 min為參考時(shí)間,取該段時(shí)間環(huán)境溫濕度的平均值作為該采樣時(shí)間的環(huán)境溫濕度值。

1.3.5 窖池環(huán)境露點(diǎn)溫度測(cè)量

把露點(diǎn)儀放置距離近酒醅表面高3 cm位置,測(cè)量窖池內(nèi)近酒醅環(huán)境的露點(diǎn)溫度,并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Origin Pro 9.1.0與Matlab軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 酒醅入窖水分變化

酒醅入窖的含水量是白酒固態(tài)發(fā)酵的主要控制指標(biāo)之一,是窖內(nèi)物質(zhì)物理、生化反應(yīng)的紐帶。窖池的酒醅水分適宜,不但為窖池中的微生物生存代謝提供適宜條件,而且可以調(diào)節(jié)窖池內(nèi)的發(fā)酵溫度。入窖水分過(guò)高,會(huì)使酒醅糊化過(guò)度；入窖水分過(guò)低,會(huì)導(dǎo)致好氧雜菌繁殖旺盛,影響酒的風(fēng)味[24]。采用控制酒醅與近酒醅環(huán)境的溫差方法研究熱季酒醅在高溫高濕的環(huán)境中入窖后糟醅的水分變化情況。

2.1.1 入窖酒醅與近酒醅環(huán)境間溫差試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí),酒醅溫度為22 ℃,含水量為55%,窖池環(huán)境相對(duì)濕度為85%,改變窖池環(huán)境與酒醅間的溫差。分別以5組不同的溫差進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集,每組實(shí)驗(yàn)的溫差分別為0、4、8、14、16 ℃,不同窖池深度的酒醅在2次糟醅入窖時(shí)間間隔內(nèi)(約80 min)的酒醅含水量變化如圖3所示。

圖3 不同溫差時(shí)2次入窖時(shí)間內(nèi)酒醅的含水量變化情況Fig.3 Moisture changes of fermented grains in two pit times at different temperature differences

由圖3知,在2次入窖時(shí)間間隔內(nèi),酒醅的含水量隨溫差與采樣時(shí)間變化而變化,溫差越大,采樣時(shí)間間隔越久,酒醅含水量越多。同一溫差下采集的實(shí)驗(yàn)樣本,表層的酒醅含水量最多,底層酒醅含水量最少。隨時(shí)間變化,表層酒醅的含水量增加速度越快。表層酒醅與近酒醅環(huán)境接觸的面積最大,吸收近酒醅環(huán)境中遇冷時(shí)析出的水蒸氣。而距表層酒醅5、10、15、20 cm深度的酒醅受酒醅的通透性、密度、窖池環(huán)境等其他因素影響,不同窖池深度的酒醅與近酒醅環(huán)境之間的含水量浸入存在差異。表層酒醅易于與近酒醅環(huán)境接觸,吸收近酒醅環(huán)境溫度,近酒醅環(huán)境析出的水蒸氣降落到酒醅表面,增加酒醅的含水量。表層酒醅水分隨著時(shí)間增加浸入到深層酒醅中,使得深層的酒醅的含水量增加,但增量較緩較少。

酒醅與環(huán)境之間的溫差與酒醅含水量關(guān)系如圖4所示。入窖的酒醅與窖池周圍環(huán)境的溫差為0 ℃時(shí),酒醅的水分變化較緩。入窖的酒醅與窖池周圍環(huán)境的溫差為8 ℃時(shí),酒醅的水分增加明顯。當(dāng)入窖的酒醅與窖池周圍環(huán)境的溫差為16 ℃時(shí),窖池深度為0 cm的酒醅含水量增加了31.04%,窖池深度為10 cm的酒醅含水量增加了27.94%,窖池深度為20 cm的酒醅含水量增加了22.73%。在同一溫差時(shí),環(huán)境相對(duì)濕度不變,采樣時(shí)間間隔越久,窖池中酒醅含水量越多。窖池周圍環(huán)境的溫度與酒醅進(jìn)行熱交換,低溫的酒醅遇到高溫的環(huán)境,酒醅吸收環(huán)境的熱量,導(dǎo)致近酒醅環(huán)境溫度下降,環(huán)境中水分溶解量下降,析出多余的水分降落到酒醅表面。而在高溫高濕的環(huán)境中,窖池中的酒醅吸收近酒醅環(huán)境的溫度,近酒醅環(huán)境降溫,環(huán)境中析出的水蒸氣降落到酒醅表面,窖池中酒醅表面溫度也逐漸升高。

2.1.2 不同近酒醅環(huán)境相對(duì)濕度試驗(yàn)

熱季白酒釀造車間屬于高溫高濕環(huán)境,酒醅溫度為22 ℃,水分含量為55%,窖池環(huán)境溫度設(shè)定為30 ℃。以窖池環(huán)境溫度為定量,改變窖池環(huán)境濕度,以60%、70%、80%、90%、95%為相對(duì)濕度條件,分別采集不同窖池深度的酒醅含水量試驗(yàn)數(shù)據(jù)。不同窖池深度的酒醅在2次糟醅入窖時(shí)間間隔內(nèi)(約80 min)的酒醅含水量變化如圖5所示。

由圖5知,入窖酒醅的含水量隨環(huán)境相對(duì)濕度與采集時(shí)間間隔變化而變化。在2次入窖時(shí)間間隔內(nèi),環(huán)境相對(duì)濕度越大、酒醅采樣時(shí)間間隔越久,酒醅的含水量增加越多。同一環(huán)境濕度、采樣時(shí)間,表層酒醅的含水量增加越多。酒醅的含水量與環(huán)境的相對(duì)濕度差距越大,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。在溫差一定的情況下,高溫高濕的近酒醅環(huán)境與入窖酒醅相接觸,酒醅吸收近酒醅環(huán)境溫度,近酒醅環(huán)境的含水量越高,環(huán)境的含水量更易達(dá)到飽和狀態(tài),析出的水分越快。其他深度的酒醅受酒醅的物理性質(zhì)、窖池環(huán)境的影響,導(dǎo)致深層酒醅不易吸收環(huán)境中水分,酒醅含水量變化較緩。

a-溫差0 ℃;b-溫差4 ℃;c-溫差8 ℃;d-溫差12 ℃;e-溫差16 ℃圖4 5種不同溫差的酒醅含水量變化圖Fig.4 Variations of moisture content in fermented grains with five different temperature differences

圖5 不同相對(duì)濕度2次入窖時(shí)間內(nèi)酒醅含水量變化情況Fig.5 Changes of water content of fermented grains in two cellars with different relative humidity

不同深度的酒醅隨環(huán)境相對(duì)濕度與采樣時(shí)間間隔變化的酒醅含水量關(guān)系如圖6所示。酒醅入窖的含水量與環(huán)境中相對(duì)濕度無(wú)明顯差別時(shí),酒醅的含水量變化情況不受采集時(shí)間間隔的影響。采樣間隔時(shí)間一定時(shí),酒醅含水量隨環(huán)境的相對(duì)濕度增大而增加。當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度達(dá)到95%時(shí),在2次入窖時(shí)間間隔內(nèi),窖池深度為0 cm的酒醅含水量達(dá)到了87.68%,窖池深度為10 cm的酒醅含水量達(dá)到了85.42%,窖池深度為20 cm的酒醅含水量達(dá)到了82.76%。同一窖池深度的酒醅,采樣時(shí)間間隔不變,環(huán)境的相對(duì)濕度越大,酒醅含水量增加越快。酒醅入窖時(shí)的含水量為55%～58%,環(huán)境的相對(duì)濕度可調(diào)范圍60%～95%,酒醅入窖后與近酒醅環(huán)境進(jìn)行水分偏移,時(shí)間越久,酒醅的含水量增加越多。

2.2 酒醅溫度變化

在熱季高溫高濕環(huán)境中,酒醅的入窖溫度決定酒醅發(fā)酵的質(zhì)量。入窖溫度過(guò)高,造成酒醅發(fā)酵速率快且升溫猛,破壞酵母菌繁殖生存條件,同時(shí)淀粉損失大,產(chǎn)出酒帶有酸味、苦澀等異雜味[25]。低溫酒醅遇到高溫高濕的環(huán)境,酒醅與窖池環(huán)境發(fā)生熱傳遞現(xiàn)象,入窖后的酒醅出現(xiàn)回溫現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)時(shí),入窖酒醅溫度為22 ℃,環(huán)境溫度設(shè)為22、26、30、34、38 ℃共5種。記錄在不同環(huán)境溫度下,2次酒醅入窖時(shí)間間隔內(nèi)的窖池中酒醅溫度變化情況。入窖后的酒醅在2次入窖時(shí)間間隔內(nèi)(80 min)溫度變化如圖7所示。

由圖7可知,窖池酒醅溫度隨著近酒醅環(huán)境溫度增加而增加,酒醅與近酒醅環(huán)境的溫差越大,窖池酒醅的溫度回升越快。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),上層酒醅溫度比中層、底層酒醅溫度高,近酒醅環(huán)境溫度38 ℃時(shí),酒醅溫度達(dá)到了最大值30.4 ℃。酒糟在2次入窖時(shí)間間隔內(nèi)(80 min)受近酒醅環(huán)境影響產(chǎn)生回溫,導(dǎo)致窖池周圍環(huán)境溫度變化,酒糟最終達(dá)到另一個(gè)溫度值T。該過(guò)程主要存在2種原因?qū)е戮契郎?一是酒醅中微生物生長(zhǎng)及糖化酶作用影響,該因素在酒醅入窖后80 min內(nèi)酒醅處于即將發(fā)酵階段,升溫較小,幾乎可以忽略;另一主要原因是低溫入窖的酒醅遇到高溫的近酒醅環(huán)境所產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)現(xiàn)象,增加了酒醅的溫度,這個(gè)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圖6 5種不同窖池深度的酒醅含水量變化圖Fig.6 Variation of water content of mash with five different pit depths

圖7 2次入窖時(shí)間間隔內(nèi)酒醅溫度變化Fig.7 Temperature change of fermented grains within the time interval of two pit entry

H=M×CP(T-T0)

(2)

式中：M為酒糟質(zhì)量,g；T為第2次酒糟入窖第1次入窖酒糟的溫度,℃；T0為酒糟入窖時(shí)初始溫度,℃；CP為窖池環(huán)境比熱容，J/(kg·℃)；H為酒醅吸熱量,J。

根據(jù)能量守恒定律,忽略損失能量,酒糟吸收熱量近似等于環(huán)境釋放放熱,如公式(3)所示：

mCP,EΔT+mΔCHΔX=MCP(T-T0)

(3)

式中：m為近酒醅窖池周圍氣體質(zhì)量,g;CP,E為窖池周圍環(huán)境比熱容，J/(kg·℃)；ΔCH為水蒸氣潛熱,J/mol；ΔX為空氣絕對(duì)濕度變化,g/m3；ΔT為溫度變化情況,℃。

在增加近酒醅環(huán)境溫度同時(shí),提高了窖池中的酒醅與近酒醅環(huán)境的溫差,增加二者之間熱傳導(dǎo)速率,使其二者溫差越大,窖池中的酒醅溫度增長(zhǎng)得越快。由傅里葉導(dǎo)熱定律[26]如公式(4)所示：

(4)

式中：Q為導(dǎo)熱速率,W；λ為導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃)；S為導(dǎo)熱面積,m2；dt/dn為溫度梯度,℃/m。

導(dǎo)熱速率與導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)熱面積、溫度梯度呈正相關(guān),在2次酒醅入窖時(shí)間間隔內(nèi),酒醅的導(dǎo)熱速率與溫差相關(guān)。

2.3 酒醅酸度變化

入窖酒醅在一定的酸度條件下,能夠抑制雜菌的生長(zhǎng),為微生物的生長(zhǎng)繁殖提供一個(gè)良好的環(huán)境,保證窖池內(nèi)糟醅發(fā)酵的正常進(jìn)行。酸度過(guò)高會(huì)抑制酵母菌的活性從而影響出酒率,酸度過(guò)低則會(huì)導(dǎo)致雜菌的大量繁殖,升溫過(guò)快,影響糖化,進(jìn)而影響酒體質(zhì)量[27]。在高溫高濕環(huán)境中,入窖酒醅的酸度由酒醅溫濕度、窖池環(huán)境等因素決定。表層酒醅易與空氣接觸,水分增加量較大,為酒醅中好氧細(xì)菌提供適宜的生存代謝環(huán)境,加快其代謝速度,導(dǎo)致酸度增加。窖池深度越深,酒醅水分含量增幅小且好氧細(xì)菌不易與空氣接觸,無(wú)法充分提供適宜的代謝環(huán)境,酸度變化不明顯。表層入窖后的酒醅在2次入窖時(shí)間間隔內(nèi)酸度變化如圖8所示。

圖8 不同窖池深度與含水量的酒醅酸度變化Fig.8 Variation of mash acidity with different pit depth and water content

3 結(jié)論

熱季酒醅在2次入窖時(shí)間內(nèi)易吸收近酒醅環(huán)境的溫濕度,改變窖池內(nèi)酒醅的溫度與水分,破壞了酒醅入窖條件。結(jié)果表明,窖池內(nèi)酒醅的理化指標(biāo)隨酒醅與近酒醅環(huán)境的溫差、近酒醅環(huán)境溫濕度變化而變化。溫差越大,近酒醅環(huán)境溫濕度越高,酒醅入窖的溫度與含水量增加越多。在同一時(shí)間內(nèi),隨著酒醅深度的增加,酒醅的溫度與含水量增加逐漸減緩,底層酒醅增加量最少。試驗(yàn)時(shí),酒醅溫度最高上升8.4 ℃,含水量最大增加30%左右。酒醅入窖酸度與入窖水分增加正相關(guān),酒醅含水量增加將嚴(yán)重影響酒醅發(fā)酵。本研究揭示了熱季酒醅在2次入窖時(shí)間間隔內(nèi)溫度、含水量、酸度變化情況,對(duì)研究熱季酒醅入窖、發(fā)酵等工藝具有一定的借鑒意義。