牛欄山二鍋頭發(fā)酵過程中有機酸的變化規(guī)律

李 晴，于曉濤，劉軒墀，郝文軍，張 帆，柳 旭，王 瑛

（北京順鑫農(nóng)業(yè)股份有限公司 牛欄山酒廠，北京 101301）

釀好中國白酒，講好中國白酒的故事，不僅是一個產(chǎn)業(yè)的傳承，更是一種文化的傳承。酒醅一般指在池內(nèi)正在進行發(fā)酵或者已經(jīng)發(fā)酵完成的糧食的混合物，酒醅中的淀粉在微生物、多種酶作用下經(jīng)過糖酵解形成葡萄糖，最后由葡萄糖發(fā)酵成酒精[1]，由于酒醅發(fā)酵過程中微生物種類、數(shù)量、酶活性及各物質(zhì)間轉(zhuǎn)換的復(fù)雜性，也決定了研究其在發(fā)酵過程物質(zhì)代謝的必要性，目前已有報道對濃香型白酒釀造過程中淀粉、還原糖[2]含量變化，醬香型白酒酒醅揮發(fā)性物質(zhì)[3]進行了分析，但對于二鍋頭發(fā)酵過程中物質(zhì)變化的研究相對較少。

有機酸是酒醅發(fā)酵過程中酸味的重要組成部分，與酒體的品質(zhì)密切相關(guān)[4]，同時有機酸是形成酯類的重要前提物質(zhì)[5]，對酒體的香氣具有重要的貢獻[6]，目前，木薯酒[7]、葡萄酒[8]、果酒[9]在發(fā)酵、加工過程中有機酸的變化已有相關(guān)研究，而二鍋頭在發(fā)酵過程中有機酸含量的變化鮮有人報道，因此準確把握牛欄山二鍋頭在發(fā)酵過程中有機酸含量的變化，對優(yōu)化生產(chǎn)工藝、指導生產(chǎn)至關(guān)重要。

本研究主要以牛欄山白酒發(fā)酵過程中酒醅為實驗材料，通過超高效液相色譜（ultra high performance liquid chromatography，UPLC）和氣相色譜（gas chromatography，GC）對酒醅中的有機酸含量進行測定，同時檢測酒醅發(fā)酵過程中的溫度、微生物總數(shù)、總酸、pH值等指標變化，為進一步研究牛欄山白酒發(fā)酵過程提供了理論依據(jù)，為指導生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 材料

酒醅樣品：取自順鑫農(nóng)業(yè)股份有限公司牛欄山酒廠釀造車間，分別于入池后第1、2、3、5、9、11、13、17、22、28、36、45天進行取樣，每次采集3份樣品，-80 ℃保存。

1.1.2 試劑

甲醇（色譜純）：美國Fisher公司；超純水（三級水）：Milli-Q凈水儀制備；草酸、蘋果酸、乳酸、乙酸、檸檬酸、延胡索酸標準品（純度均＞98%），磷酸二氫銨（分析純）：天津市光復(fù)精細化工研究所；磷酸（分析純）：北京化工廠。

1.1.3 培養(yǎng)基

馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基：葡萄糖20 g，酵母粉10 g，蛋白胨10 g，去離子水1 000 mL，pH 4.0，115 ℃滅菌30 min。

乳酸菌分離培養(yǎng)基：牛肉膏10 g，酪蛋白胨30 g，酵母提取物5 g，葡萄糖20 g，乙酸鈉5 g，吐溫-801mL，檸檬酸氫二胺2 g，MgSO4·7H2O 0.58 g，K2HPO42 g，MnSO4·H2O 0.25 g，萘啶酮酸50 mg，瓊脂15 g，去離子水1 L，pH 5.0，115 ℃滅菌30 min。

常規(guī)絲狀真菌分離培養(yǎng)基采用孟加拉紅培養(yǎng)基：北京奧博星生物技術(shù)有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

L95系列智能溫度記錄儀：上海發(fā)泰精密儀器儀表有限公司；BSC-1100ⅡA2型生物安全柜：北京東聯(lián)哈爾儀器制造有限公司；SPX-320型生化培養(yǎng)箱：寧波江南儀器廠；Waters ACQUITY UPLC超高效液相色譜儀：美國Waters公司；5975C氣相色譜：美國安捷倫公司；Milli-Q Reference超純水發(fā)生器：美國Millipore公司；MS204TS/02萬分之一分析天平、FE22-Standard pH計：梅特勒-托利多儀器有限公司；GDANA電熱板：廣州格丹納儀器有限公司；BSD-YX2400智能精密搖床：上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠。

1.3 方法

1.3.1 酒醅發(fā)酵過程中理化指標的測定

溫度：利用智能溫度記錄儀對酒醅[10]、地表以及環(huán)境溫度進行監(jiān)測；總酸：利用酸堿中和法對酒醅中的總酸含量進行測定[11]；以氫氧化鈉消耗量表示酒醅的酸度，定義每克酒醅消耗0.1 mol/L NaOH溶液為1度。pH值：準確稱量10 g酒醅加入90 mL無菌水，靜置15 min，利用pH計對濾液pH值進行測定。

1.3.2 酒醅發(fā)酵過程中微生物數(shù)量的測定

樣品前處理：分別取不同發(fā)酵時間的酒醅，按四分法混合取樣后，稱量10g混合酒醅于90mL無菌水中，搖床180r/min振蕩10 min，制備的菌懸液定為10-1梯度，無菌環(huán)境下吸取1 mL于9 mL無菌水中，計為10-2，依次稀釋為10-3、10-4、10-5、10-6梯度。

培養(yǎng)條件：使用滅菌槍頭吸取上述不同梯度樣液0.1mL，涂布至不同分離培養(yǎng)基平板中，3個平行，設(shè)置空白對照。根據(jù)微生物的不同培養(yǎng)條件進行恒溫培養(yǎng)，酵母28 ℃靜置培養(yǎng)48 h，常規(guī)絲狀真菌30 ℃培養(yǎng)24～48 h，乳酸菌35 ℃靜置培養(yǎng)24～48 h。

微生物平板計數(shù)：根據(jù)培養(yǎng)結(jié)果挑選菌落數(shù)在30～300 CFU/mL的平板進行計數(shù)，乘以稀釋倍數(shù)計算不同微生物的菌落數(shù)量。

1.3.3 酒醅發(fā)酵過程中乳酸、檸檬酸、蘋果酸、草酸及延胡索酸含量的測定

樣品前處理：準確量取5 g酒醅，溶于10 mL的提取液中，超聲提取20 min，12 000 r/min離心10 min，取上清液過0.22 μm有機濾膜，待上機分析。

UPLC條件：ACQUITY UPLC BEH C18色譜柱（100 mm×2.1 mm，1.7 μm），二極管陣列檢測器（diode-array detector，DAD），柱溫35 ℃，樣品室溫度20 ℃，進樣體積10 μL，檢測波長210 nm，流動相為0.002 5 mol/L 磷酸二氫銨（NH4H2PO4）溶液，流速0.2 mL/min進行等度洗脫，進樣時間10 min。

定性定量方法：配制乳酸、檸檬酸、蘋果酸、草酸及延胡索酸的混合標準溶液20 mg/L、40 mg/L、80 mg/L、100 mg/L、120 mg/L，通過標準品保留時間對樣品中有機酸進行定性，以UPLC的檢測出峰面積（y）為縱坐標，以標品的質(zhì)量濃度（x）為橫坐標，構(gòu)建標準曲線，按照標準曲線回歸方程計算樣品中有機酸的含量。

1.3.4 酒醅發(fā)酵過程中乙酸含量的測定

樣品前處理：準確稱量5 g酒醅樣品，在60 ℃條件下進行固相微萃取30 min。

GC條件：固相萃取頭涂層50/30 μm DVB/CAR/PDMS，DB-Wax色譜柱（50 m×0.25 mm，0.2 μm），進樣口溫度250 ℃解吸5 min，升溫程序：初始溫度40 ℃，以3 ℃/min的速度升溫至80 ℃，保持3 min后，繼續(xù)以3 ℃/min的速度升溫至190 ℃維持15 min。

定性定量方法：以標準品保留時間進行定性，以乙酸正丁酯為內(nèi)標物（質(zhì)量濃度為17.6 g/L）進行半定量。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016、Origin 8.5軟件對實驗數(shù)據(jù)進行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 酒醅發(fā)酵過程中溫度的變化情況

發(fā)酵過程中的酒醅溫度主要與入缸溫度、周圍環(huán)境以及發(fā)酵過程中微生物代謝產(chǎn)能等有關(guān)[12]，酒醅發(fā)酵過程中溫度的變化見圖1。由圖1可知，在整個發(fā)酵過程中，地溫較為穩(wěn)定，基本維持在21 ℃，環(huán)境溫度受天氣影響較大，存在一定的起伏，最高溫度在發(fā)酵的第5天，為12.1 ℃，最低溫度在發(fā)酵的第43天，為-5.3 ℃。酒醅溫度受環(huán)境影響的同時，在一定程度上反映了酒醅中微生物活躍程度及物質(zhì)代謝的變化，發(fā)酵初期，酒醅中存在大量氧氣，酵母菌、絲狀真菌等微生物利用酒醅中的氧氣進行有氧呼吸，產(chǎn)生大量的能量，促使酒醅中溫度逐漸升高，在第9天時溫度達到最高點，為29.2 ℃，此時酒醅中的微生物和物質(zhì)代謝處于最活躍的階段，9 d以后，酒醅中的氧氣逐漸被消耗，微生物開始有氧呼吸和無氧呼吸相結(jié)合，酵母菌、細菌等利用葡萄糖進行發(fā)酵生成乙醇等物質(zhì)，這個過程中物質(zhì)代謝逐漸減緩，能量產(chǎn)生降低，酒醅溫度下降并逐漸趨于平穩(wěn)。

圖1 酒醅發(fā)酵過程中溫度的變化Fig.1 Change of temperature of fermented grains during the fermentation

2.2 酒醅發(fā)酵過程中微生物數(shù)量的變化情況

發(fā)酵過程中微生物復(fù)雜的變化與有機酸等代謝物質(zhì)的產(chǎn)生有著密不可分的聯(lián)系[13-14]，酒醅發(fā)酵過程中酵母菌、乳酸菌和絲狀真菌數(shù)量的變化見圖2。由圖2可知，發(fā)酵初期酵母菌、乳酸菌及絲狀真菌均大幅度增加，其中酵母菌、乳酸菌在7～11 d時達到最大值，絲狀真菌在第5 d達到最大值。酵母菌是酒醅發(fā)酵過程中十分重要的微生物之一，其能夠決定乙醇以及一些香氣成分的產(chǎn)生[15]，由圖2A可知，酵母菌在發(fā)酵開始的前3 d數(shù)量增長較為緩慢，5～9 d呈現(xiàn)急速的增長，在第11天達到最大值為77.7×106CFU/mL，13～17 d呈現(xiàn)大幅度下降，降低約53倍，酵母菌數(shù)量變化可能由于發(fā)酵初期，淀粉被大量消耗，營養(yǎng)物質(zhì)豐富，酵母菌生長繁殖旺盛，乙醇逐漸增加，而發(fā)酵后期乙醇的大量積累，改變了營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，影響了酵母菌的生長繁殖[16]。乳酸菌對于酒體的放香至關(guān)重要，其能夠直接影響發(fā)酵過程中乳酸的形成，乳酸則是呈香物質(zhì)乳酸乙酯合成的前體物質(zhì)[17]。由圖2B可知，乳酸菌在發(fā)酵的3～5 d出現(xiàn)大幅度的增長，于第7天達到最大值247.7×106CFU/mL，7 d后乳酸菌逐漸下降，這一結(jié)果與以往的研究相一致[18]，其可能原因發(fā)酵后期酒醅中高酸環(huán)境不利于細菌生長。由圖2C可知，絲狀真菌與酵母菌和乳酸菌有所不同，發(fā)酵初期酒醅中存在大量的絲狀真菌，在發(fā)酵的第5天時絲狀真菌達到了最大值，為20.3×105CFU/mL，發(fā)酵5 d以后呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。

圖2 酒醅發(fā)酵過程中酵母菌（A）、乳酸菌（B）和絲狀真菌（C）數(shù)量的變化Fig.2 Number changes of yeasts (A),lactic acid bacteria (B) and filamentous fungi (C) of fermented grains during fermentation process

2.3 有機酸含量的測定

2.3.1 有機酸標準曲線回歸方程的建立

乳酸、檸檬酸、蘋果酸、草酸及延胡索酸的混合標準溶液UPLC分析色譜圖見圖3（A），乙酸GC分析色譜圖見圖3（B），標準曲線回歸方程見表1。

表1 5種有機酸線性回歸方程及相關(guān)系數(shù)Table 1 Linear regression equations and correlation coefficients of 5 kinds of organic acids

圖3 5種有機酸標準品超高效液相色譜圖（A）和乙酸氣相色譜圖（B）Fig.3 Ultra performance liquid chromatography of 5 kinds of organic acids standards (A) and gas chromatography of acetic acid (B)

由圖3可以看出，酒醅中的五種有機酸通過超高效液相色譜能夠良好的分離，出峰順序分別為：草酸（1.189 min）、蘋果酸（1.456 min）、乳酸（1.745 min）、檸檬酸（1.973 min）、延胡索酸（2.302 min）。

以5種有機酸標品的質(zhì)量濃度為橫坐標，以對應(yīng)的出峰面積為縱坐標，構(gòu)建標準曲線，得到5種有機酸的回歸方程如表1所示，相關(guān)系數(shù)R2均＞0.99，符合要求，表明超高效液相工作性能穩(wěn)定，能夠?qū)契械挠袡C酸進行準確的測定。

2.3.2 酒醅發(fā)酵過程中有機酸的變化情況

實驗利用超高效液相色譜對牛欄山酒醅發(fā)酵過程中的乳酸、檸檬酸、蘋果酸、草酸及延胡索酸進行測定，同時，由于乙酸的沸點低，強揮發(fā)性的特點，對乙酸采用氣相色譜進行檢測，實驗結(jié)果見圖4。

圖4 酒醅發(fā)酵過程中有機酸含量的變化Fig.4 Change of organic acid contents of fermented grains during fermentation process

由圖4可知，在酒醅發(fā)酵過程中，乳酸和乙酸的含量較高，最高時可分別達到10.26 mg/g和5.16 mg/g。

白酒發(fā)酵過程中乳酸的含量對白酒的生成至關(guān)重要[19]，由圖4A可以看出，酒醅中乳酸的含量在13 d前呈現(xiàn)穩(wěn)定增長的趨勢，在第9天出現(xiàn)一個降低點，含量為0.82 mg/g，13～22 d乳酸的含量呈現(xiàn)出大幅度的增長，增加了6.46 mg/g。乳酸是構(gòu)成白酒風味的主要物質(zhì)之一，主要由葡萄糖在乳酸菌和乳酸脫氫酶等作用下經(jīng)糖酵解產(chǎn)生[20]，通過觀察發(fā)現(xiàn)在發(fā)酵初期，乳酸含量（圖4A）和乳酸菌數(shù)量（圖2B）均在不斷增加，為乳酸的積累創(chuàng)造了條件。

乙酸對于清香型白酒而言是更為關(guān)鍵的有機酸，是合成清香型白酒主要呈香物質(zhì)乙酸乙酯的重要前提[21]，由圖4B可知，發(fā)酵開始前13 d，乙酸呈現(xiàn)出一定的波動，13 d以后乙酸的含量逐漸增加，在第28天時含量達到最大值為5.16 mg/L，發(fā)酵后期大量乙醇的產(chǎn)生促進了乙酸的積累。

檸檬酸是人體細胞代謝必不可少的酸，能夠促進乳酸的分解，幫助緩解人體疲勞[22]，由圖4C可知，檸檬酸的含量在28 d前呈現(xiàn)出較為穩(wěn)定的狀態(tài)，而第9天出現(xiàn)一定的降低，含量降為0.07 mg/g，發(fā)酵28 d后，檸檬酸出現(xiàn)了大幅度的增加，達到0.025 mg/g。檸檬酸屬于不揮發(fā)性酸，其含量的增加能夠增強酒體的醇厚感，并與其他呈香呈味物質(zhì)共同作用，從而能在一定程度上提高白酒的品質(zhì)。

微生物代謝能夠產(chǎn)生大量的有機酸類物質(zhì)，適量的有機酸積累能夠使酒體更加豐滿協(xié)調(diào)，蘋果酸雖然酸度較大，但卻擁有柔和的風味，能夠與其他有機酸共同作用在一定程度上影響酒體的風味品質(zhì)，由圖4D可知，在酒醅發(fā)酵過程，蘋果酸在13 d前處于一種動態(tài)的平衡，含量在0.04～0.16 mg/g之間，作為三羧酸循環(huán)、蘋果酸-乳酸發(fā)酵過程等多種物質(zhì)代謝途徑過程的中間樞紐，蘋果酸不僅在代謝中產(chǎn)生，同時也不斷被微生物等消耗[23]，在13～22 d發(fā)酵過程中，蘋果酸的含量急速增加，在第22天達到0.42 mg/g，同時觀察蘋果酸在28 d后的含量，發(fā)現(xiàn)其仍有上升的趨勢。

草酸是一種常見的二元酸，能夠參與調(diào)節(jié)Ca+、pH及滲透壓等生理學過程[24]。由圖4E可知，草酸的含量在前7 d呈現(xiàn)出上升的趨勢，在7～9 d有所降低，9 d以后開始不斷增加，到22 d含量達到一個最高值，為0.24 mg/g，草酸含量在28 d以后呈現(xiàn)下降的趨勢，避免了草酸的大量積累。

由圖4F可知，延胡索酸在前13 d均未被檢出，可能原因是延胡索酸在前13 d其產(chǎn)生量與其消耗量一致，延胡索酸在含量上保持動態(tài)的守恒，13～22 d延胡索酸的含量持續(xù)上升，增加了0.032 mg/g，22 d后延胡索酸的含量有所降低且隨著發(fā)酵的進行基本保持穩(wěn)定。

從實驗結(jié)果可以看出，乳酸、乙酸、檸檬酸、蘋果酸、草酸隨著酒醅發(fā)酵的進行呈現(xiàn)出逐步增長的趨勢，且在第9天左右均出現(xiàn)一個低點，這一結(jié)果與曹云剛等[25]報道相一致，分析其可能原因在第9天時微生物的種類、數(shù)量處于一個高點（圖2），微生物代謝活動旺盛，酒醅溫度升高，酶活性增強，致使有機酸的消耗過大，導致其含量出現(xiàn)一定的波動，而延胡索酸則在發(fā)酵開始的13 d以后呈現(xiàn)出增長的趨勢，并且延長發(fā)酵時間（常規(guī)發(fā)酵時間28 d）在整體上會增加有機酸的積累。

2.4 酒醅在發(fā)酵過程中總酸和pH的變化情況

總酸是一個定數(shù)，本實驗指酒醅樣品最終能釋放出的氫離子數(shù)量；pH與H+的平衡相關(guān)，本實驗中指酒醅溶液中釋放氫離子（或氫氧根）的能力[26]，總酸和pH均能夠?qū)契形⑸锏拇x產(chǎn)生影響，進而影響有機酸的形成。酒醅發(fā)酵過程中總酸含量及pH值變化分別見圖5和圖6。

圖5 酒醅發(fā)酵過程中總酸含量的變化Fig.5 Change of total acid contents of fermented grains during fermentation process

圖6 酒醅發(fā)酵過程中pH值的變化Fig.6 Change of pH of fermented grains during fermentation process

由圖5可知，總酸的含量隨著發(fā)酵的延長逐漸遞增，0～7 d總酸的增長速度較為緩慢，酒醅入缸時的總酸度為0.3度，經(jīng)過36 d的發(fā)酵，總酸含量達到2.8度，同時通過對比有機酸的實驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)總酸的遞增規(guī)律與乳酸的遞增規(guī)律大致相同，且乳酸為發(fā)酵過程中重要的有機酸之一。

由圖6可知，酒醅的pH隨著發(fā)酵時間進行逐漸的下降，由酒醅開始入池的pH4.77降低到3.28，pH的結(jié)果與總酸的含量呈現(xiàn)出負相關(guān)性，說明酒醅中的總酸含量在一定程度上能夠影響酒醅的pH的大小。

3 結(jié)論

牛欄山二鍋頭發(fā)酵過程中酒醅的溫度在第9天出現(xiàn)最高點，達到29.2 ℃；酵母菌、乳酸菌及絲狀真菌均是先增加后降低，在7～11 d時左右其微生物的數(shù)量達到最大，與發(fā)酵過程中酒醅溫度的變化呈現(xiàn)出相關(guān)性；總酸度隨著發(fā)酵的進行而不斷升高，最后達到2.8度；pH隨著發(fā)酵的進行而不斷降低，最后下降到3.33。

通過超高效液相和氣相色譜測定牛欄山二鍋頭發(fā)酵過程中乳酸、乙酸、草酸、檸檬酸、蘋果酸、延胡索酸的含量，其中，大多數(shù)有機酸在第9天存在低點，9～28 d呈上升的趨勢，隨后保持緩慢增長，同時發(fā)現(xiàn)有機酸含量變化與乳酸菌變化呈顯著正相關(guān)，實驗的展開為提升牛欄山二鍋頭白酒品質(zhì)提供了理論依據(jù)，今后可探究在傳統(tǒng)牛欄山二鍋頭發(fā)酵周期28 d的基礎(chǔ)上適當延長發(fā)酵時間，以提高有機酸含量，生產(chǎn)一些高品質(zhì)的調(diào)味酒。