傳統(tǒng)固態(tài)白酒高級醇調(diào)控技術(shù)的研究進展

盧彥坪，喬宗偉，鄭 佳，彭志云，張建敏，劉 芳，趙佳迪，李俁珠，趙 東

（宜賓五糧液股份有限公司，四川宜賓 644007）

中國傳統(tǒng)固態(tài)白酒的釀造是一個涉及多菌種混合協(xié)同代謝、多酶促反應(yīng)的過程，其根本是釀酒微生態(tài)系統(tǒng)中各類微生物利用自身酶系參與多種代謝途徑而產(chǎn)生的包括醇類、酸類、酯類等物質(zhì)在內(nèi)的多種呈香呈味的代謝產(chǎn)物。高級醇是白酒風味物質(zhì)中重要的組成成分之一，適當含量的高級醇可賦予酒體特殊香味，如異戊醇是西鳳酒獨特苦杏仁味的來源。隨著存儲時間的延長，酒體中的一些高級醇也會與酸發(fā)生酯化反應(yīng)生成酯類，使酒體芳香更濃郁，酒香更舒適。但由于高級醇在人體內(nèi)的氧化速度比乙醇慢，停留時間長，含量過高會帶來一定的副作用，極大的影響了中國白酒飲后舒適感。因此，為了將白酒中高級醇含量控制在合理的范圍之內(nèi)，許多學者開展了相應(yīng)研究。本文將根據(jù)高級醇的代謝合成機制，對傳統(tǒng)固態(tài)白酒釀造過程中調(diào)控高級醇合成的研究成果進行綜述，為確實有效調(diào)控傳統(tǒng)固態(tài)白酒釀造過程中高級醇的合成提供一定的借鑒思路。

1 中國白酒中高級醇概述

1.1 中國白酒中高級醇的組成

高級醇一般是指碳原子個數(shù)大于或等于3個的一元醇類，包括正丙醇、正丁醇、異丁醇、異戊醇、活性戊醇、正己醇、β-苯乙醇等物質(zhì)。適量的高級醇對白酒風味的形成做出了一定的貢獻，如異戊醇微帶甜苦和澀味，是西鳳酒中苦杏仁味的重要來源，同時也是醬香型白酒中最主要的高級醇成分；β-苯乙醇是重要的芳香類風味物質(zhì)，能賦予酒體一定的玫瑰香味和蜜香味；正己醇帶有一定的果香味，是濃香型白酒中重要的風味成分。過量的高級醇會給人體帶來一定的副作用，如異丁醇過多時會加重苦味，對人體的眼、鼻產(chǎn)生刺激作用；異戊醇含量過高時，飲酒后會使神經(jīng)系統(tǒng)充血，產(chǎn)生頭痛、惡心、嘔吐等不適反應(yīng)，是引起白酒飲后“上頭”的主要原因之一。

1.2 中國白酒中高級醇的代謝形成機制

研究表明，在傳統(tǒng)固態(tài)白酒發(fā)酵過程中，高級醇主要是通過如圖1 所示的氨基酸降解途徑（Ehrlich途徑）和糖代謝合成途徑（Harris 途徑）合成的。在Ehrlich 途徑中，氨基酸在轉(zhuǎn)氨酶、脫羧酶以及脫氫酶的作用下，生成相應(yīng)的高級醇，如蘇氨酸可降解生成正丙醇，纈氨酸可降解生成異丁醇，亮氨酸可降解生成異戊醇，苯丙氨酸可降解生成β-苯乙醇等。在Harris 途徑中，葡萄糖經(jīng)糖酵解生成丙酮酸，在一系列酶的作用下，生成多種高級醇。有研究指出，白酒中的高級醇主要是由釀酒酵母合成，且高級醇中的低碳鏈醇如異丁醇、異戊醇、活性戊醇等，有75%是由Harris 途徑合成的。白酒中高級醇的最終含量是這兩條途徑在白酒固態(tài)發(fā)酵過程中動態(tài)平衡的結(jié)果。當糟醅中可同化氮源較多時（如蛋白質(zhì)含量較高），糖代謝合成途徑受到抑制，通過氨基酸降解代謝途徑生成的高級醇較多；當可同化氮源不足時，氨基酸降解代謝途徑相關(guān)酶活性被抑制，糖代謝合成途徑代謝流被增強，促進更多的糖類轉(zhuǎn)化為高級醇。

圖1 高級醇代謝形成機制

2 高級醇調(diào)控技術(shù)研究進展

2.1 發(fā)酵工藝的優(yōu)化

2.1.1 物料條件優(yōu)化

在傳統(tǒng)固態(tài)白酒釀造過程中，高級醇主要是由發(fā)酵原料在酵母微生物及相應(yīng)酶的作用下生成的，因此，發(fā)酵因素對高級醇的代謝合成有重要的影響。

有研究報道，量水添加量、大曲添加量、加糠量以及糧糟比等因素對濃香型白酒高級醇的合成有著重要的影響。羅惠波等在實驗室水平模擬濃香型白酒的固態(tài)發(fā)酵，研究了拌曲階段不同添加量的酵母、糖化酶、蛋白酶等酶制劑對濃香型白酒高級醇產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，干酵母和糖化酶的添加可以降低高級醇產(chǎn)量，其中，酵母最適添加量（于投糧比）為0.8%，高級醇產(chǎn)量下降了14.8%；糖化酶最適添加量（于投糧比）為750 U/g，高級醇產(chǎn)量下降了11.4%；而蛋白酶的添加卻促進了高級醇的合成。分析其原因：濃香型白酒的釀造是一個邊糖化邊發(fā)酵的過程，添加酵母量可以降低酵母的增殖倍數(shù)，經(jīng)由酵母氨基酸合成途徑合成的高級醇也相應(yīng)減少；糖化酶的添加可以促進淀粉轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵糖，酵母菌糖代謝活動得到加強，氨基酸降解減弱，高級醇含量減少；蛋白酶的添加可以將物料中的蛋白質(zhì)分解為氨基酸，提高底物氨基酸的濃度，進而生成更多的高級醇。

王立釗等考察了醬香型白酒固態(tài)發(fā)酵過程中不同添加量的活性干酵母、糖化酶、蛋白酶對高級醇生成量的影響，結(jié)果表明，活性干酵母的添加對高級醇產(chǎn)量沒有顯著影響，適當添加糖化酶可以將高級醇含量降低35.5%，在此基礎(chǔ)上添加適當含量的蛋白酶，可以進一步將高級醇產(chǎn)量降低41.4%。孫金旭等研究了酵母菌和糖化酶對醬香型白酒中高級醇合成的影響，結(jié)果顯示，當酵母添加量為1%時，高級醇總量最低，為0.41 g/L，比對照組降低了39.64%；當糖化酶添加量為2×10U/g時，高級醇總量比對照組降低了48.28 %。有學者指出，糖化速度是決定發(fā)酵速度的關(guān)鍵因素，因為醬香型大曲為高溫曲，糖化能力較弱。因此，在酵母菌充足的情況下，可以通過添加糖化酶來提高發(fā)酵速度，減少高級醇的合成。

2.1.2 環(huán)境條件優(yōu)化

入窖溫度對傳統(tǒng)固態(tài)白酒發(fā)酵過程中高級醇的合成有一定的影響。潘玲玲等利用可實現(xiàn)夾套控溫的固態(tài)發(fā)酵罐為發(fā)酵容器分別進行兩輪“控溫發(fā)酵”實驗，以探究發(fā)酵溫度對濃香型白酒生產(chǎn)中高級醇產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，較高糟醅頂溫溫度和較長中挺時間更有利于高級醇的合成，其中，正丙醇、異丁醇、正丁醇、異戊醇、正己醇等高級醇含量分別增加了118.6 %、21.2 %、29.7 %、21.7 %、77.3 %，相應(yīng)基酒的高級醇含量也明顯增加。施思等為探索濃香型白酒高級醇生成規(guī)律，改善和調(diào)控生產(chǎn)工藝，在兩年內(nèi)跟蹤了30 輪次固態(tài)發(fā)酵糟醅中異戊醇、異丁醇、正丙醇和正丁醇的生成規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，正丙醇和正丁醇的生成與酸度和入窖溫度呈正相關(guān)關(guān)系，異戊醇和異丁醇的生成與乙醇發(fā)酵呈正相關(guān)關(guān)系。曲冠頤等對小曲清香型白酒春秋兩季的高級醇產(chǎn)量進行分析發(fā)現(xiàn)，春季的高級醇產(chǎn)量要顯著低于秋季的高級醇產(chǎn)量，推測是較高的環(huán)境溫度更有利于產(chǎn)高級醇微生物的生長。

2.1.3 其他條件優(yōu)化

趙揚揚等發(fā)現(xiàn)采用不銹鋼材料作為發(fā)酵窖池蓋子代替?zhèn)鹘y(tǒng)的窖泥封窖，既能夠減少水分散失又能夠避免雜菌污染保證厭氧環(huán)境，最終降低白酒中高級醇的含量，提高了窖池出酒率。郭梅君等基于高級醇的揮發(fā)特性，在米香型白酒的蒸餾中，利用慢速蒸餾結(jié)合精餾酒頭的方法去除高級醇，結(jié)果表明可以有效去除高級醇，且保留了米香型白酒的原有風格。陳雪鵬等對濃香型新酒進行液態(tài)重蒸餾，并對蒸餾條件進行優(yōu)化，最終成功降低了高級醇含量。

2.2 選育低產(chǎn)高級醇菌株

2.2.1 自然育種獲得低產(chǎn)高級醇菌株

從窖泥、糟醅等白酒釀造自然環(huán)境中篩選獲得低產(chǎn)高級醇的菌株是最為傳統(tǒng)的育種方法。袁華偉等從濃香型白酒生產(chǎn)大曲和糟醅中成功篩選獲得一株低產(chǎn)高級醇且產(chǎn)酒能力強的酵母菌株，其高級醇產(chǎn)量降低了23.53 %，而其他風味物質(zhì)產(chǎn)量幾乎沒有影響。勾文君等從濃香型白酒窖泥中篩選獲得一株低產(chǎn)正丁醇的酪丁酸梭菌，添加到模擬白酒窖內(nèi)發(fā)酵體系中，使得正丁醇含量減少了30.05%，且己酸乙酯生成量顯著增加。陳良強等從醬香型白酒的大曲和糟醅中篩選獲得一株低產(chǎn)高級醇且高產(chǎn)乙醇的粟酒裂殖酵母，其異丁醇、異戊醇濃度只有其他粟酒裂殖酵母的51.0 %和53.4%，且該菌株產(chǎn)高級醇水平幾乎不受支鏈氨基酸的影響。

梁璋成等通過溫度梯度試驗從福建各地收集的釀造紅曲米中篩選獲得一株可在低溫10 ℃下啟動發(fā)酵黃酒的低產(chǎn)高級醇的酵母菌株，其高級醇產(chǎn)量僅為117.12 mg/L。衛(wèi)云路等從酒曲中篩選獲得一株低產(chǎn)高級醇高產(chǎn)酒的釀酒酵母，并將該酵母應(yīng)用于新型米曲的制作，在新工藝生產(chǎn)條件下，實現(xiàn)了高級醇合成的顯著下降。張翠英等將低產(chǎn)高級醇釀酒酵母工程菌株添加至小曲酒進行半固態(tài)發(fā)酵，結(jié)果顯示，與純小曲發(fā)酵相比，正丙醇、異丁醇和異戊醇分別降低了20.6%、32.3%和50.8%，總高級醇含量顯著下降至29.35 mg/100 mL，且對酒度、殘?zhí)?、總酸和總酯產(chǎn)量基本無影響。李秋志等通過利用高產(chǎn)酯低產(chǎn)高級醇酵母菌替代混合生香酵母菌進行芝麻香白酒的釀造生產(chǎn)，成功減少高級醇的含量。

利用低產(chǎn)高級醇的菌株理論上可以減少白酒發(fā)酵過程中高級醇的合成，但中國傳統(tǒng)固態(tài)白酒的發(fā)酵是一個涉及多種天然來源微生物的混合協(xié)同代謝、多酶促反應(yīng)的過程。對于純種發(fā)酵的釀造酒來說，低產(chǎn)高級醇菌株能有效降低高級醇的含量，但卻并不一定適用于傳統(tǒng)固態(tài)白酒的釀造，可能會影響到其他功能微生物的生長和代謝，進而影響酒質(zhì)。因此，研究傳統(tǒng)固態(tài)白酒釀造過程中高級醇與其合成相關(guān)的微生物菌群間的互作關(guān)系更有利于解決高級醇調(diào)控的問題。

2.2.2 基因工程育種獲得低產(chǎn)高級醇菌株

利用基因工程技術(shù)對高級醇合成代謝途徑中的關(guān)鍵基因以及調(diào)控因子進行改造，可以實現(xiàn)對高級醇合成的調(diào)控。張翠英等以工業(yè)酵母為出發(fā)菌株，構(gòu)建了BAT2 基因缺失二倍體工程菌并應(yīng)用于模擬黃酒發(fā)酵，其高級醇生成量顯著下降。李維等以釀酒酵母單倍體菌株作為出發(fā)菌株，通過分子育種技術(shù)成功過表達ATF1 基因和敲除BAT2基因，其重組后雜交體的異戊醇和異丁醇產(chǎn)量顯著減少。李維等研究發(fā)現(xiàn)，將酵母菌株的亮氨酸合成基因LEU1 或LEU2 敲除可以顯著降低異戊醇的生成量，但同時也造成了異丁醇含量的顯著提高；類似的，將負責纈氨酸與異亮氨酸合成的關(guān)鍵基因ILV1 敲除后發(fā)現(xiàn)，正丙醇、活性戊醇和2-苯基乙醇的濃度顯著降低，但異丁醇和異戊醇的產(chǎn)量增長顯著。江森等為降低黃酒中高級醇含量，構(gòu)建了釀酒酵母乙醛脫氫酶基因過表達菌株并進行黃酒發(fā)酵，結(jié)果表明其高級醇含量減少了72.04 %?；蚬こ谈脑炀暝谥袊拙茖嶋H生產(chǎn)應(yīng)用中存在著非常大的局限性和不確定性，傳統(tǒng)固態(tài)白酒釀造過程中的微生物均來源于自然環(huán)境，可能會改變原來的微生物群落結(jié)構(gòu)，甚至對窖池造成不可恢復的損傷，因此需要非常慎重。

3 結(jié)論與展望

目前研究結(jié)果表明白酒中高級醇主要來源于合成途徑和降解途徑，但由于各大香型白酒的釀造用料、釀造用曲和釀造工藝都存在著不同，導致其釀造功能微生物存在著差異，使得降低白酒中高級醇含量的研究面臨著很大的困難，如工藝優(yōu)化存在著普適性的限制且成本高，低產(chǎn)高級醇菌株實際應(yīng)用的可行性不大且可能會干擾到其他功能微生物合成風味物質(zhì)。因此，目前尚未形成成熟的工藝技術(shù)來有效調(diào)控白酒中高級醇的生成，需要針對具體香型白酒釀造過程中高級醇的生成及變化機理開展深入研究，以形成相應(yīng)的高級醇合成的調(diào)控技術(shù)，助力中國白酒邁向國際化。