白酒是我国的传统食品，具有悠久的历史和文化，属于世界六大蒸馏酒之一，与其他蒸馏酒的生产工艺相比，中国白酒采用双边发酵，开放式培养菌株，特色明显[1-2]。与啤酒、葡萄酒的工业化程度相比[3]，白酒行业整体机械化水平较低，在生产中过度依赖经验，缺乏比较有效的精确控制手段。科研人员对固态发酵控制的研究主要集中于抗生素、酶制剂、食品添加剂和生物肥料等[4-5]。对白酒固态发酵过程控制研究较少[6-7]。
芝麻香型白酒原酒在不同季节产量与质量有明显差别，春、秋和冬季产量较高且酒质更好，夏季原酒产量与质量都有明显下降，且盛夏芝麻香型白酒工厂面临酒质下降、放假停产，导致年产量降低[8]。夏季芝麻香型白酒生产的温度较高，在发酵完成后普遍在30 ℃以上，这可能带来2个问题，一是细菌代谢比较活跃，可能会产更多的杂醇类物质；二是酒精在发酵过程中有一定挥发，温度过高可能导致酒醅内酒精的损失。在实验室阶段我们通过温度控制进行固态发酵可有效提高原酒品质与产量[9-10]。本文通过自行研制中试发酵设备，在工厂中对芝麻香型白酒发酵进行温度控制，为芝麻香型白酒生产提供新的思路。
1 材料与方法
1.1 实验材料
白酒发酵原料(高粱、小麦、麸皮、稻壳、酒曲、酒糟等)，江苏泰州梅兰春酒厂有限公司；浓HCl、NaOH、葡萄糖、NaCl、可溶性淀粉等试剂(分析纯)，国药集团化学试剂有限公司；氨苄青霉素、制霉菌素，生工生物工程(上海)股份有限公司。
1.2 仪器与设备
中试控温发酵设备，实验室自行设计制作；AI-526P型人工智能温度控制器、AI-706M型多路巡检显示仪，厦门宇电自动化科技有限公司；GC-2010Plus 气相色谱仪，日本 SHIMADZU 公司；SHP-250 生化培养箱，上海精宏实验设备有限公司；SIN-R200D无纸记录仪，杭州联测自动化技术有限公司；超净工作台，苏州净化设备有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 芝麻香型白酒发酵工艺
芝麻香型白酒的工艺流程[11]主要为高粱粉碎、高温润粮、蒸粮、扬冷、拌曲、堆积、发酵、上甑蒸馏。原料配比为m(高粱)∶m(麸皮)∶m(水)∶m(酒糟)∶m(酒曲)=1∶0.125∶0.8∶4∶0.5。
中试实验设备包括4个部分，示意图见图1。发酵罐直径1.8 m，高度1.6 m，设计容积3 m3，外层及底板有夹层及保温层，夹层内可以通水，通过水泵将水在发酵罐、水箱、冷水机间循环。发酵罐内部焊有吊钩，发酵结束后可以直接用吊车将发酵罐吊至蒸馏区。水箱与发酵罐内均有温度探头与控制箱相连，控制柜采集发酵罐内的温度数据，控制箱内装有自行设计的控温程序，通过PID控制水箱温度变化达到预设温度曲线，从而实现控温目的[12-15]。
图1 中试发酵设备示意图
Fig.1 Schematic diagram of pilot equipment of fermentation
1.3.2 取样点及测温点排布
中试实验在5～9月进行。在发酵阶段，每隔1 d用自制取样铲分别在窖池和发酵罐取样，取样点为4个，记为边上、边下、中上、中下。边上：距上表面20 cm、距边缘20 cm；边下：距上表面70 cm、距边缘20 cm；中上：距上表面20 cm、距边缘90 cm；中上：距上表面20 cm、距边缘90 cm；中下：距上表面70 cm、距边缘90 cm。
窖池为3 m×2 m×2 m的长方体结构，在窖池设置11个测温点，其中9个分别为距上表面0.5、1.0、1.5 m处，距窖池壁0.2、0.9、1.5 m处，第10个埋设在窖池壁处，第11个监测环境温度。在发酵罐中设置9个测温点，其中6个分别在距上表面0.2、1.0、1.4 m处，第7个埋设在发酵罐壁处，第8个监测顶层酒醅温度，第9个监测水温，温度测量点分布如图2所示，左侧为窖池内测量点分布，右侧为发酵罐内测量点分布。温度测量数据用ANSYS 17.0处理[16-17]。
图2 温度测定分布图
Fig.2 Distribution map of temperature measurement
1.3.3 酒醅微生物及理化指标测定
酒醅样品中酵母、细菌、霉菌、乳酸菌和芽孢杆菌等微生物的计数采用传统平板培养法[18]。酒醅样品理化指标，如还原糖、酸度、淀粉、含水率和酒精度测定采用白酒酒醅分析方法[19-20]。
1.3.4 感官评定及挥发性成分测定
发酵结束后，对原酒酒样进行盲评，参考刘传贺等[21]的方法。感官品评人员为1位国家级评委和6名受过品酒训练的实验室成员。
酒醅中挥发成分用气相色谱法测定，以质量浓度20 g/L的乙酸正丁酯溶液作为内标溶液，色谱柱为LZP-930，操作条件参考万清徽[9]的方法进行。
2 结果与分析
2.1 窖池与发酵罐发酵过程理化指标变化分析
在发酵过程中酸度、水分含量、淀粉含量、酒精度等酒醅理化指标与最终原酒的品质息息相关，它们的变化能反映出酒醅发酵的情况。
如图3所示，窖池与发酵罐内各项理化指标变化趋势一致。由图3-a可知，发酵过程中酸度不断上升，在发酵10 d后酸度增加更快，这是因为前期发酵的优势菌种为酵母菌，随着发酵的进行，酒精不断积累，同时酸性物质也在增加，导致发酵后期细菌活性增强，代谢产酸能力增加；由图3-b可知，水分含量在发酵过程中也呈现上升趋势，这是因为水是微生物代谢的产物，在密闭空间会不断增加；由图3-c、3-d可知，淀粉和还原糖质量分数均呈现下降趋势，且下降主要在发酵前5 d，说明双边发酵主要在发酵前期进行，与图3-e、3-f结合也能看出发酵前期糖化酶活力更强且酒精度增长过快，这与万清徽[9]在实验室发酵阶段的研究结果相似。在发酵结束后，测得窖池出酒率为35.9%，发酵罐出酒率为39.3%，工厂绝对产率提高了3.4%，控温发酵比自然发酵相对产率提高了9.5%。
a-酸度；b-水分含量；c-淀粉；d-还原糖；e-糖化酶；f-酒精度
图3 窖池与发酵罐酒醅理化指标变化情况
Fig.3 Changes in physical and chemical indicators of fermented grains
2.2 窖池与发酵罐发酵过程微生物数量变化分析
白酒酿造依赖于微生物的生长代谢，跟踪发酵过程中其数量的变化可以了解发酵的整体情况。如图4所示，发酵罐与窖池内微生物数量的变化趋势相近。由图4-a可知，细菌发酵前15 d在109 CFU/g酒醅上下波动，发酵后半程稳定在108 CFU/g酒醅，其中窖池内细菌数量略高于发酵罐，这可能是因为发酵后期窖池内温度较高，更适合细菌的生长代谢；图4-b、4-c可知，乳酸菌与芽孢杆菌数量先增加后稳定，这可能是因为发酵前期有O2存在，使其大量繁殖，后期O2耗尽，其数量缓慢下降直至发酵终点，这与杜如冰[22]的研究结果相似；由图4-d可知，在初始阶段(0～3 d)酵母菌数量上升，随后不断减少，到15 d时已无法检出;从图4-e可知，霉菌数量在整个发酵过程中先增后减，发酵结束时，上层中的数量较下层更多，这可能是因为酒醅随着发酵进行整体不断下陷，有少许O2进入，使得霉菌又可以繁殖。
a-细菌；b-乳酸菌；c-芽孢杆菌；d-酵母菌；e-霉菌
图4 窖池与发酵罐微生物数量变化情况
Fig.4 Changes in the microorganism counts of fermented grains
2.3 窖池与发酵罐生产原酒品质分析
对窖池生产白酒和发酵罐生产白酒进行气相色谱分析，发酵罐发酵原酒中乙酸乙酯、己酸乙酯分别为684.19、137.61 mg/L，达到GB/T 20824—2007 《芝麻香型白酒》[23]中优级酒的标准。窖池产白酒中丙酸、丁酸、戊酸、己酸等有机酸含量比发酵罐产白酒高，这可能是因为窖池底部有窖泥与酒醅接触，其中的微生物产有机酸能力较强，这与范文来等[24]的研究结论一致；发酵罐产白酒中正丙醇、异丁醇、异戊醇等多元醇含量较高，这可能与发酵过程中酵母菌、乳酸菌的代谢有关[25-26]。
表1 发酵罐与窖池发酵原酒成分分析
Table 1 Comparison of compounds in different samples
发酵罐发酵酒窖池发酵酒组分平均质量浓度/(mg·L-1)标准差平均质量浓度/(mg·L-1)标准差乙醛131.5118.26167.094.98甲醇132.377.42225.8811.83异丙醇----异丁醛----正丙醇221.5410.57136.2810.87乙酸乙酯684.1917.52438.2051.09双乙酰35.2213.4540.8717.92仲丁醇40.7811.3866.4434.76异丁醇42.2720.4524.757.29乙缩醛350.1341.89290.1430.89正丁醇66.434.47113.6321.13异丁酸乙酯----乙酸93.064.3025.432.04异戊醇58.564.4412.042.10
续表1
发酵罐发酵酒窖池发酵酒组分平均质量浓度/(mg·L-1)标准差平均质量浓度/(mg·L-1)标准差丁酸乙酯55.105.3257.8624.84乙酸正丁酯(内标)351.80-351.80-丙酸79.6452.83186.0198.49异戊酸乙酯----乳酸乙酯470.0632.83159.67110.45异丁酸+1,2-丙二醇--56.226.08戊酸乙酯113.3613.73185.256.37正己醇--13.924.23糠醛77.000.7285.4719.58丁酸30.154.9240.4930.79异戊酸17.918.4076.8349.59己酸乙酯137.613.09135.1912.72戊酸--52.274.61丁酸异戊酯+2-乙基丁酸24.672.3128.343.42己酸19.505.1732.414.57庚酸乙酯----3-甲硫基丙醇60.012.6239.428.61庚酸----β-苯乙醇65.0922.6426.099.89己酸异戊酯----
采用暗杯盲评方式进行感官评价，结果如表2所示。2种酒均有芝麻香型白酒典型风格，主要区别在于窖池产白酒入口有杂味，且酸味略高于发酵罐所产白酒；发酵罐产白酒入口甜感更强，口感更加辛辣，后味更净。2种酒的感官评价有所区别可能是因为窖池产白酒有窖泥微生物代谢的作用，而发酵罐的不锈钢壁无窖泥微生物，这与卢振[27]的研究结果相符。
表2 原酒品评结果
Table 2 Sensory evaluation of different Baijiu samples
样品评级评语发酵罐产原酒优级无色,清亮透明,典型香气明显,辣感强,后味净,具有芝麻香型白酒典型风格窖池产原酒一级无色,清亮透明,典型香气明显,辣感强,略有杂味,后味较净,具有芝麻香型白酒典型风格
2.4 窖池与发酵罐发酵过程传热分析
图5为窖池与发酵罐发酵30 d过程中温度变化情况，发酵罐内温度变化较为平缓，而窖池内温度变化有一定波动，窖池上层边缘的温度在第23天前后还有回升，不符合芝麻香型白酒发酵“前缓、中挺、后缓落”的经验规律。这说明在盛夏时节窖池的温度调节能力有限，而通过发酵罐的水循环温控措施能有效控制发酵温度。
图5 窖池与发酵罐发酵过程温度变化情况
Fig.5 Temperature change in fermentation tank and winery pit
白酒发酵是一个非线性、非结构化的复杂过程，涉及很多相互影响的因素，遗传算法可以模拟微生物在发酵过程中的生长繁殖过程[28]。通过遗传算法利用发酵实测温度计算出生物反应热，进而通过构建模型模拟得到发酵罐内酒醅温度分布情况，因为发酵罐呈圆柱状，所以以圆柱的1/4截面进行热分布计算，第0、1、2、3、4、5、6、7、10、15、20、28天酒醅温度具体分布如图6所示。
分别为第0、1、2、3、4、5、6、7、10、15、20、28天温度分布
图6 发酵罐内酒醅随时间的温度分布变化
Fig.6 Changes in the temperature distribution of fermentation tank
由图6可知，发酵罐内酒醅初始温度为32.5 ℃，发酵结束时酒醅最低温度为22 ℃，最高温度为27 ℃。发酵前7 d温度变化较快，在15 d后温度逐渐稳定在30 ℃以下。酒醅的底部与外侧温度低，即与换温层接触的部分温度低；最高温位于发酵罐内部及其上部与外界空气接触部分。
将计算获得的温度分布变化与实际测得温度变化相比较，如图7所示，实际测量数据与反演数据趋势一致，说明反演测得的热力学参数准确，可以反映实际发酵情况。
图7 发酵罐不同位置实际测量与反演数据比较
Fig.7 Comparison of actual measurement and simulation data at different positions of fermentation tank
3 结论
用发酵罐通过控温发酵方式生产芝麻香型白酒对原酒质量有显著提高，控温发酵生产白酒均为优级，窖池生产白酒为一级，同时微生物变化趋势相似，理化指标变化趋势相似，酒醅酒精含量较高，发酵罐出酒率比窖池高3.4%，出酒率相对提高9.5%，证明在气温较高时引入温度控制手段可以有效改善生产原酒的品质与提高产量。原酒品质的区别与发酵过程中温度变化有关，窖池中温度变化波动大，且发酵后期温度较高，所产原酒的乙酸乙酯、己酸乙酯含量未达到优级酒标准。
通过发酵温度曲线对比及酒醅热分布图可知，本实验装备可有效控制发酵温度，在气温较高的夏季能实现芝麻香型白酒生产不停顿，使得全年生产成为可能。同时利用遗传算法对实测温度进行反演计算，得到酒醅的生物反应热变化曲线以及发酵过程与传热有关的参数，为生产放大提供了必要的数据支撑。
本研究的不足之处在于，还需要对温度变化影响芝麻香型白酒生产的机理做进一步的研究，为精细化控制奠定重要的基础。
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