油莎豆白酒發(fā)酵工藝優(yōu)化及其品質(zhì)指標(biāo)檢測

李 意，張?zhí)焖?，趙 華

（天津科技大學(xué) 生物工程學(xué)院，天津 300457）

油莎豆中油脂含量豐富，是目前報道中產(chǎn)油量最高的植物油料之一，可以代替植物油使用[1-3]；又因為油莎豆油脂的潤滑性能比較好，所以還可以用來生產(chǎn)生物柴油以及高級的潤滑油[4-5]。油莎豆不僅含有豐富的油脂還富含淀粉、糖以及蛋白質(zhì)和各種維生素等，所以也是一種優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)且綜合利用前景廣闊的經(jīng)濟食用作物[6-8]。

油莎豆餅是由油莎豆榨油后的殘渣壓縮而制成的，其淀粉含量高達24.63%～36.77%[9]，與小麥、玉米、土豆等相似[10]。榨油后殘留的油莎豆餅的二次利用是目前現(xiàn)在企業(yè)所關(guān)注的方向[11]。因為油莎豆餅含有豐富的淀粉[12]，所以可以將油莎豆餅提取并應(yīng)用于食品加工行業(yè)中，還可以將油莎豆餅發(fā)酵制作成食品原料后剩余的殘渣飼喂家畜[13]。此外，油莎豆餅還可用于釀酒行業(yè)中，其出酒率皆很可觀[14]。雖然油莎豆餅的淀粉含量比較高，但是高粱的淀粉含量高達74.24%[15]，所以和傳統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)釀酒原料高粱相比，其淀粉含量還是不太高。在油莎豆餅中混入高梁作為釀酒原料釀造油莎豆白酒，不僅可以提高對油莎豆的利用率，也能延長油莎豆的產(chǎn)業(yè)鏈。

本研究以油莎豆餅和高粱為原料，分別采用固態(tài)和液態(tài)發(fā)酵工藝制備油莎豆白酒，探究并選擇合適的發(fā)酵工藝。在此基礎(chǔ)上，采用單因素試驗考察發(fā)酵溫度、糖化酶添加量以及活性干酵母添加量對油莎豆白酒發(fā)酵及理化指標(biāo)的影響，并以總酯含量為考察指標(biāo)，采用正交試驗對其發(fā)酵工藝進行優(yōu)化，確定油莎豆白酒發(fā)酵的最佳發(fā)酵工藝條件。在此優(yōu)化條件下進行發(fā)酵，測其理化指標(biāo)和香氣成分，確保優(yōu)化后的發(fā)酵工藝更有利于高效生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的白酒。同時在發(fā)酵過程中實時監(jiān)測酒醅的發(fā)酵指標(biāo)，以期使整個發(fā)酵過程可以朝著正確的方向進行，從而達到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的目的。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

油莎豆餅：北京三禮豚科技有限公司；活性干酵母ADY：湖北宜昌安琪酵母股份有限公司；高溫液化酶（1.5×105U/mL）、糖化酶（1×105U/g）：諾維信（中國）生物技術(shù)有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

DH-101型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：天津市中環(huán)實驗電爐有限公司；高速中藥粉碎機：天津華鑫儀器廠；FL-2Y型遠紅外封閉電爐：上海力辰邦西儀器科技有限公司；7890B型氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）儀、HP-INNOWAX色譜柱（30 m×320 μm×0.25 μm）：美國安捷倫科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 油莎豆白酒發(fā)酵工藝流程及操作要點

（1）油莎豆白酒固態(tài)發(fā)酵工藝流程

操作要點：

①原料處理：將油莎豆餅塊用不銹鋼粉碎機粉碎后得油莎豆餅粉，過40目篩備用。以質(zhì)量比為1∶3的高粱與油莎豆餅作為原料。

②蒸煮糊化：以料水比1.0∶0.6（g∶mL）向原料中加入溫水，攪拌均勻。稱取15%（按原料計）的稻殼與原料在105 ℃條件下蒸煮100 min。

③糖化：原料蒸熟后，出鍋攤晾30 min左右，冷卻到60 ℃，加入180 U/g（按原料計）的糖化酶進行糖化。

④酵母活化：在4%的葡萄糖溶液中加入1‰（按原料計）的活性干酵母，然后在25 ℃恒溫箱中活化0.5 h。

⑤發(fā)酵、蒸餾：糖化一段時間后，加入活化后的活性干酵母，均勻攪拌，分裝入壇進行發(fā)酵，25 ℃條件下發(fā)酵14 d，發(fā)酵結(jié)束后進行蒸餾，得到油莎豆白酒。

（2）油莎豆白酒液態(tài)發(fā)酵工藝流程

操作要點：

①原料預(yù)處理及液化：以質(zhì)量比為1∶3的高粱與油莎豆餅為原料，以料水比1∶3的比例加入溫水以及液化酶8 U/g（按原料計），攪拌均勻，105 ℃高溫液化100 min。

②糖化：將發(fā)酵醪液冷卻到60 ℃，加入180 U/g（按原料計）糖化酶進行糖化。

③酵母活化：在4%的葡萄糖溶液中加入1‰（按原料計）的活性干酵母，然后在25 ℃恒溫箱中活化0.5 h。

④接種：待發(fā)酵醪液冷卻到30 ℃，將活化好的活性干酵母加入到發(fā)酵醪液中。

⑤發(fā)酵、蒸餾：將發(fā)酵醪液用紗布封口，然后放置到25 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中發(fā)酵5 d，發(fā)酵結(jié)束后進行蒸餾，得到油莎豆白酒。

1.3.2 油莎豆白酒固態(tài)發(fā)酵工藝優(yōu)化

根據(jù)上述固態(tài)發(fā)酵工藝流程，分別考察發(fā)酵溫度（20℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃和40 ℃）、糖化酶添加量（120 U/g、140 U/g、160 U/g、180 U/g和200 U/g）、活性干酵母添加量（1‰、2‰、3‰、4‰和5‰）對油莎豆白酒理化指標(biāo)的影響。

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，以總酯含量（Y）為評價指標(biāo)，以發(fā)酵溫度（A）、糖化酶添加量（B）、活性干酵母添加量（C）為考察指標(biāo)，進行3因素3水平的正交試驗，確定油莎豆白酒最優(yōu)固態(tài)發(fā)酵工藝。

1.3.3 酒醅分析

對于不同發(fā)酵階段過程中的酒醅中的淀粉含量、還原糖含量、酸度以及酒精度進行了檢測與測定，并且對發(fā)酵過程中的酒醅的溫度進行了監(jiān)測。

1.3.4 檢測及分析方法

酸度（以乙酸計）：采用中和滴定法測定[16]；酒精度：酒醅蒸餾后，用酒度計和溫度計測量其酒精度與溫度，然后換算成在20 ℃時的酒精度[17]；總酸含量：參照文獻[18]的方法進行測定；總酯含量：參照文獻[19]的方法進行測定；淀粉含量：先用鹽酸水解法，將淀粉用鹽酸水解成單糖，然后再用斐林試劑法測定水解后的具有還原性的單糖的含量即為淀粉的含量[20]；溫度：參照GB/T 22184—2008《谷物和豆類散存糧食溫度測定指南》測定酒醅的溫度[21]；還原糖含量：采用斐林試劑法[22]；乙酸乙酯：采用氣相色譜法測定[23-26]；出酒率=實際產(chǎn)酒數(shù)量/總投糧數(shù)量×100%[27]。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)酵工藝對油莎豆白酒的影響

2.1.1 發(fā)酵工藝對油莎豆白酒發(fā)酵指標(biāo)的影響

采用固態(tài)及液態(tài)發(fā)酵工藝制備油莎豆白酒，監(jiān)測其發(fā)酵過程中酒精度、酸度變化以及淀粉和還原糖的消耗情況，結(jié)果見表1。

由表1可知，在不同的發(fā)酵工藝下，通過固態(tài)發(fā)酵法得到的酒樣酒精度（7.80%vol）略高于液態(tài)發(fā)酵（7.40%vol），剩余的淀粉含量（2.50%）和還原糖含量（0.46%）略低于液態(tài)發(fā)酵，酸度（3.32 mmol/10 g）則遠高于液態(tài)發(fā)酵，這主要是因為固態(tài)發(fā)酵環(huán)境可以加快酵母的繁殖速度，提高了其對淀粉和還原糖的利用率。

表1 發(fā)酵工藝對油莎豆白酒發(fā)酵指標(biāo)的影響Table 1 Effect of fermentation process on fermentation indexes of Cyperus esculentus L. Baijiu

2.1.2 發(fā)酵工藝對油莎豆白酒理化指標(biāo)的影響

兩種發(fā)酵工藝得到的酒樣的理化指標(biāo)見表2。

表2 發(fā)酵工藝對油莎豆白酒理化指標(biāo)的影響Table 2 Effect of fermentation process on physicochemical indexes of Cyperus esculentus L. Baijiu g/L

由表2可知，通過固態(tài)發(fā)酵法得到的油莎豆白酒中乙酸乙酯（1.09 g/L）、總酸（0.94 g/L）和總酯含量（2.38 g/L）高于液態(tài)發(fā)酵，故確定油莎豆白酒最佳發(fā)酵工藝為固態(tài)發(fā)酵工藝。

2.2 油莎豆白酒固態(tài)發(fā)酵工藝條件優(yōu)化

2.2.1 發(fā)酵溫度對油莎豆白酒發(fā)酵的影響

不同發(fā)酵溫度對油莎豆白酒發(fā)酵及理化指標(biāo)的影響分別見表3、表4。

表3 發(fā)酵溫度對油莎豆白酒發(fā)酵指標(biāo)的影響Table 3 Effect of fermentation temperature on fermentation indexes of Cyperus esculentus L. Baijiu

表4 發(fā)酵溫度對油莎豆白酒理化指標(biāo)的影響Table 4 Effect of fermentation temperature on physicochemical indexes of Cyperus esculentus L. Baijiu

由表3可知，發(fā)酵溫度對油莎豆白酒的酒精度無明顯影響。隨著發(fā)酵溫度的升高，淀粉和還原糖的含量均有不同程度的下降，酸度則呈先上升后下降的趨勢。這主要是因為較高的溫度有利于酵母菌的生長，加快了對原料淀粉和底物糖的消耗速度，有利于產(chǎn)酸，如果溫度過高，則抑制產(chǎn)酸。

由表4可知，隨著發(fā)酵溫度的升高，油莎豆白酒中的總酸、總酯含量分別先上升后下降，與酸度變化相近，產(chǎn)生這一現(xiàn)象說明提高溫度有利于酸、酯類物質(zhì)的生成，但過高的溫度一方面會加速酸、酯類物質(zhì)的揮發(fā)，另一方面使產(chǎn)酸、酯酵母出現(xiàn)早衰情況，從而導(dǎo)致總酸、總酯的含量減少。綜上，選擇25 ℃為最優(yōu)發(fā)酵溫度。

2.2.2 糖化酶添加量對油莎豆白酒發(fā)酵的影響

不同糖化酶添加量對油莎豆白酒發(fā)酵及理化指標(biāo)的影響分別見表5、表6。

表5 糖化酶添加量對油莎豆酒發(fā)酵指標(biāo)的影響Table 5 Effect of glucoamylase addition on fermentation indexes of Cyperus esculentus L. Baijiu

表6 糖化酶添加量對油莎豆酒理化指標(biāo)的影響Table 6 Effect of glucoamylase addition on physicochemical indexes of Cyperus esculentus L. Baijiu

由表5可知，不同的糖化酶添加量對發(fā)酵醪的酸度無明顯影響，淀粉含量和還原糖含量隨著糖化酶添加量的增加而下降。這主要是因為糖化酶可以快速增加物料中的糖分，并在酵母的作用下，提高淀粉和還原糖的利用率。由于對淀粉和還原糖的利用率提高，酒精度隨著糖化酶添加量的增加而上升。

由表6可知，不同的糖化酶添加量對蒸餾酒液的總酸、總酯含量無明顯影響，因為糖化酶對產(chǎn)酸產(chǎn)酯酵母沒有催化作用。綜上，雖然無法提高總酯含量，但對于降低雜醇油含量有一定的作用[28-29]，故選擇200 U/g為最優(yōu)糖化酶添加量。

2.2.3 活性干酵母添加量對油莎豆白酒發(fā)酵的影響

不同活性干酵母添加量對油莎豆白酒發(fā)酵及理化指標(biāo)的影響分別見表7、表8。

表7 活性干酵母添加量對油莎豆酒發(fā)酵指標(biāo)的影響Table 7 Effect of active dry yeasts addition on fermentation indexes of Cyperus esculentus L. Baijiu

表8 活性干酵母添加量對油莎豆酒理化指標(biāo)的影響Table 8 Effect of active dry yeast addition on physicochemical indexes of Cyperus esculentus L. Baijiu

由表7可知，隨著活性干酵母添加量的增加，酒精度有略微的提升?；钚愿山湍傅奶砑恿繌?‰增加到2‰時，淀粉含量和還原糖含量均會下降，酸度則會上升，再增加活性干酵母添加量則不會有明顯變化。這主要是因為活性干酵母含量的增加，會加強對淀粉和還原糖的利用率，酵母代謝旺盛，酒醅酸度上升。

由表8可知，隨著活性干酵母添加量的增加，總酸、總酯含量下降明顯。添加活性干酵母可以加快發(fā)酵周期，但如果過量，會導(dǎo)致發(fā)酵周期過快，總酸、總酯的含量還未達到預(yù)期，發(fā)酵就已結(jié)束，從而使酒味香氣不足。綜上，選擇1‰作為最優(yōu)的活性干酵母添加量。

2.2.4 油莎豆白酒固態(tài)發(fā)酵工藝優(yōu)化正交試驗

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，以總酯含量[30-31]為考察指標(biāo)，選取影響油莎豆白酒總酯含量的3個主要因素：發(fā)酵溫度（A）、糖化酶添加量（B）、活性干酵母添加量（C），進行3因素3水平的正交試驗，正交試驗因素與水平見表9，正交試驗結(jié)果見表10。

表9 油莎豆白酒發(fā)酵工藝優(yōu)化正交試驗因素與水平Table 9 Factors and levels of orthogonal experiments for fermentation process optimization of Cyperus esculentus L. Baijiu

表10 油莎豆白酒發(fā)酵工藝優(yōu)化正交試驗結(jié)果與分析Table 10 Results and analysis of orthogonal experiments for fermentation process optimization of Cyperus esculentus L. Baijiu

由表10可知，根據(jù)極差分析可知，各因素對油莎豆白酒總酯含量影響的主次順序為A＞C＞B，即發(fā)酵溫度是影響油莎豆白酒發(fā)酵過程產(chǎn)總酯效果的最主要因素，活性干酵母添加量為次要因素，影響最小的是糖化酶添加量。正交試驗的最優(yōu)組合為A1B1C2，即發(fā)酵溫度23 ℃，糖化酶添加量190 U/g，活性干酵母添加量1‰。由于理論上的最優(yōu)組合不在設(shè)計的9組正交試驗中，而9組正交試驗中總酯含量最高的為A1B1C1，故對兩組不同的發(fā)酵條件進行驗證性試驗。

2.2.5 油莎豆白酒發(fā)酵工藝優(yōu)化正交試驗的驗證

分別采用A1B1C1和A1B1C2組合的發(fā)酵條件進行油莎豆白酒發(fā)酵試驗，每個組合做2個平行試驗。試驗結(jié)果表明，兩個組合的總酯含量分別為2.96 g/L、2.98 g/L，結(jié)果差異不大，考慮到出酒率和酒質(zhì)[32]，故選擇A1B1C1為最優(yōu)組合。

2.3 油莎豆白酒理化指標(biāo)的檢測

按照上述優(yōu)化后的固態(tài)發(fā)酵工藝得到油莎豆白酒，其酒精度為9.2%vol，總酸含量為1.45 g/L，總酯含量為2.96 g/L，乙酸乙酯含量為2.42 g/L，出酒率為41%。結(jié)果表明，優(yōu)化后的發(fā)酵工藝更有利于高效生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的白酒。

2.4 油莎豆白酒發(fā)酵過程中酒醅發(fā)酵指標(biāo)的監(jiān)測

白酒酒醅檢測是白酒生產(chǎn)過程中監(jiān)測日常生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，也是白酒生產(chǎn)能否順利完成的保障。酒醅各項指標(biāo)影響著后期出酒的產(chǎn)量和質(zhì)量，因此需要對酒醅在發(fā)酵過程中成分的動態(tài)變化進行分析研究。本實驗對酒精含量、酒醅的發(fā)酵溫度以及酒醅中剩余淀粉的含量的變化進行檢測分析，結(jié)果見圖1～圖3，使研究結(jié)果可以有效地指導(dǎo)白酒日常生產(chǎn)實踐，從而有效地控制白酒的質(zhì)量和產(chǎn)量。

圖1 油莎豆白酒發(fā)酵過程中酒醅酒精度的變化Fig.1 Changes of alcohol content in fermented grains during fermentation process of Cyperus esculentus L. Baijiu

2.4.1 油莎豆白酒發(fā)酵過程中酒醅中酒精度的變化

由圖1可知，隨著油莎豆白酒的發(fā)酵，酒精含量呈先升高后趨于穩(wěn)定的趨勢，尤其是在油莎豆白酒發(fā)酵的前期，酒精含量的增加尤為迅速。這主要是因為在油莎豆白酒發(fā)酵前期，酒醅中的營養(yǎng)物質(zhì)比較充足，而且酒醅的微生物代謝繁殖速率快，待缸中出現(xiàn)厭氧狀態(tài)，酵母菌開始進行酒精發(fā)酵。隨著油莎豆白酒發(fā)酵的進行，酵母菌的酒精發(fā)酵隨之進行，還原糖越來越少，故酒精發(fā)酵速率也逐漸降低，最后酒精揮發(fā)與生成速率持平，酒精含量趨于穩(wěn)定。發(fā)酵結(jié)束后，測得油莎豆白酒的最高酒精含量為9.2%vol。

2.4.2 油莎豆白酒發(fā)酵過程中酒醅溫度的變化

酒醅的溫度與入缸時的溫度、環(huán)境的溫度以及微生物的代謝速率都有密切關(guān)系。通過油莎豆白酒發(fā)酵過程中酒醅溫度的變化得知油莎豆白酒的發(fā)酵狀況，控制酒醅的溫度以及入缸時的溫度控制有利于提高出酒率，增加白酒的香氣成分[33-34]。油莎豆白酒發(fā)酵過程中酒醅溫度的變化見圖2。

由圖2可知，隨著油莎豆白酒的發(fā)酵，發(fā)酵溫度呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。在發(fā)酵前期，酒醅中營養(yǎng)成分的含量比較豐富的，而且微生物的新陳代謝較快，生長繁殖迅速，這一過程會釋放大量的能量，使酒醅溫度迅速上升，油莎豆餅的酒醅溫度在第6天達到峰值（27.9 ℃）。而后隨著營養(yǎng)物質(zhì)的減少，微生物代謝繁殖減緩，酒醅的發(fā)酵溫度則緩慢降低，最后趨于平穩(wěn)。

圖2 油莎豆白酒發(fā)酵過程中酒醅溫度的變化Fig.2 Changes of fermented grains temperature during fermentation process of Cyperus esculentus L. Baijiu

2.4.3 油莎豆白酒發(fā)酵過程中酒醅中殘留淀粉含量的變化

淀粉的含量對微生物的新陳代謝及白酒的發(fā)酵過程有重大影響。入缸時酒醅的淀粉含量過低，會導(dǎo)致最后的出酒率降低；含量過高，會造成白酒在發(fā)酵過程中酒醅的黏度過大和產(chǎn)酸較高等不良影響[35-36]。油莎豆白酒發(fā)酵過程中酒醅中殘留淀粉含量的變化見圖3。

圖3 油莎豆白酒發(fā)酵過程中酒醅淀粉含量的變化Fig.3 Changes of starch content in fermented grains during fermentation process of Cyperus esculentus L. Baijiu

由圖3可知，隨著油莎豆白酒的發(fā)酵，淀粉的含量持續(xù)下降，尤其是在發(fā)酵的前期淀粉的含量下降相對來說比較快，這是因為發(fā)酵前期，初始淀粉含量高，酵母菌的繁殖代謝加快，所以原料中所含的淀粉含量急速降低。在油莎豆白酒的發(fā)酵后期，剩余淀粉大多不可分解成葡萄糖，且后期的酵母菌的活性也降低，發(fā)酵后期的微生物主要開始產(chǎn)酸、產(chǎn)酯等香味物質(zhì)，這樣對淀粉的利用就減少了，從而降低了酵母菌對淀粉的消耗量，使得油莎豆白酒發(fā)酵后期的酒醅中的所含的淀粉保持在一個穩(wěn)定的階段。在油莎豆白酒的發(fā)酵結(jié)束后，測定出酒醅中消耗了12.21%的淀粉。

油莎豆餅不僅脂肪含量低，淀粉含量高，而且由于其是油莎豆榨油后的副產(chǎn)物，利用油莎豆餅生產(chǎn)白酒可以延長油莎豆的產(chǎn)業(yè)鏈，提高油莎豆的經(jīng)濟價值。

3 結(jié)論

油莎豆白酒的最佳發(fā)酵工藝為固態(tài)發(fā)酵，最佳發(fā)酵工藝條件為發(fā)酵溫度23 ℃，糖化酶添加量190 U/g、活性干酵母添加量0.5‰，在此優(yōu)化條件下，油莎豆白酒的酒精度為7.8%vol，總酯含量為2.96 g/L，總酸含量為1.45 g/L，乙酸乙酯含量為2.42 g/L，出酒率達到41%。油莎豆白酒發(fā)酵過程中，酒精含量逐漸升高，最后趨于平緩，發(fā)酵結(jié)束后，酒精度達9.2%vol；發(fā)酵溫度先上升后下降，第6天時酒醅溫度達到峰值（27.9 ℃）；剩余淀粉含量逐漸下降，發(fā)酵結(jié)束后，淀粉消耗12.21%。利用油莎豆餅制備白酒，既提升了油莎豆的經(jīng)濟價值，也提高了油莎豆的利用率，通過對油莎豆白酒發(fā)酵工藝的優(yōu)化，為油莎豆及其他高淀粉油料作物制備白酒提供了系統(tǒng)的試驗數(shù)據(jù)支持。