高溫流化-化大米液態(tài)發(fā)酵黃酒工藝研究

高溫流化-化大米液態(tài)發(fā)酵黃酒工藝研究

為了優(yōu)化傳統(tǒng)黃酒生產(chǎn)中大量廢水的洗大米、浸泡、蒸飯和水洗機(jī)，減少黃酒生產(chǎn)中高廢水的排放，提出了一種大米高流動和處理設(shè)備?！案邷亓骰?化”是一種大米“干法”糊化工藝,旨在替代傳統(tǒng)的“濕法”糊化工藝,從而從源頭控制污染。前期研究表明,大米在270～300℃的熱風(fēng)中流化處理30～60s,大米中淀粉晶粒消失,成松散片狀,淀粉糊化率與蒸飯持平,脂肪和可降解氮含量均明顯下降,已具備發(fā)酵釀酒的條件。但實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),高溫流化α-化大米投料復(fù)水后極易形成糊狀,沿用傳統(tǒng)的大缸半液態(tài)發(fā)酵工藝,很難獲得理想的黃酒。高溫流化α-化工藝已成功應(yīng)用于清酒生產(chǎn)中,而在黃酒生產(chǎn)中的應(yīng)用研究少有報(bào)道。高溫流化α-化大米是否適合發(fā)酵釀造黃酒以及如何釀造黃酒,將是“高溫流化α-化”工藝能否產(chǎn)業(yè)化的瓶徑。研究開發(fā)適合高溫流化α-化大米特性的發(fā)酵工藝,對推動高溫流化α-化工藝在黃酒生產(chǎn)中產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,促進(jìn)黃酒行業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)黃酒發(fā)酵的經(jīng)驗(yàn),研究優(yōu)化高溫流化α-化大米的液態(tài)發(fā)酵工藝,并提出分批投料的發(fā)酵工藝,探索一種適合高溫流化α-化大米特性的發(fā)酵工藝。1材料和方法1.1材料、試劑和機(jī)器大米產(chǎn)自金壇;麥曲浙江東風(fēng)酒廠。本實(shí)驗(yàn)研究所用試劑均為市售分析純。自制高溫流化α-化設(shè)備。1.2方法1.2.1r-溫度流的制備290℃,45s高溫流化α-化處理后,風(fēng)冷至室溫,密封待用。1.2.2接種酵母發(fā)酵按實(shí)驗(yàn)要求加入水、麥曲,按需要用乳酸調(diào)整pH值后接種酵母發(fā)酵。前發(fā)酵30℃、4d,后發(fā)酵15℃、16d。發(fā)酵結(jié)束后壓榨、澄清過濾。1.2.3高溫流化-化大米初投:高溫流化α-化大米100g,麥曲用量10%(g/g高溫流化α-化大米,以下同),酵母接種量10%(V/V),料水比1:3,起始pH4.5。補(bǔ)料:高溫流化α-化大米100g,麥曲用量5%,料水比1:2。1.2.4料水比3,5初投:高溫瞬時α-化大米100g,麥曲用量10%,接種量10%(V/V),料水比1:3,起始pH4.5。一次補(bǔ)料:高溫瞬時α-化大米70g,麥曲用量5%,料水比1:2。二次補(bǔ)料:高溫瞬時α-化大米30g,麥曲用量5%,料水比1:2。1.2.5蒸餾法的條件大米室溫浸泡2d,瀝水后常壓水蒸汽蒸飯,100℃,45min,然后水淋冷卻到28℃。1.2.6酒精、總酸、ph值和還原糖的測定參照GB/T13662—2000,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)單位除特別標(biāo)注外均參照該標(biāo)準(zhǔn)。1.2.7葡萄質(zhì)細(xì)胞采用血球計(jì)數(shù)法。1.2.8米發(fā)酵后黃油質(zhì)量的變化定義出酒率為單位質(zhì)量高溫流化α-化大米發(fā)酵后獲得的黃酒(15%,V/V)的質(zhì)量(g/g)。酒樣分別測量體積和酒精濃度,然后換算成酒精體積濃度15%。2結(jié)果與分析2.1高溫流化-大米液體發(fā)酵條件的確定參照傳統(tǒng)蒸飯黃酒液態(tài)發(fā)酵工藝,對料水比、酵母接種量、麥曲用量和發(fā)酵起始pH值等主要工藝條件進(jìn)行研究。2.1.1料水發(fā)酵、發(fā)酵條件影響總酸、殘還原糖的制備實(shí)驗(yàn)大米經(jīng)過高溫流化α-化處理后,顆粒體積膨脹約一倍,同時水分含量降低到1%左右,因此,復(fù)水時吸水量增加。設(shè)計(jì)不同料水比、麥曲用量8%,酵母接種量10%(V/V)進(jìn)行發(fā)酵實(shí)驗(yàn),結(jié)果如圖1所示。由圖1可知,隨著加水比增加,成品酒酒精度逐漸降低,總酸、還原糖呈先降后升趨勢。酒精度降低一方面是因?yàn)榧铀嘞♂尩脑?另一方面也是因?yàn)樯岷桶l(fā)酵不徹底,還原糖和出酒率的變化也證明了這一點(diǎn)。當(dāng)料水比較低時,發(fā)酵液流動性差,酶及酵母與底物接觸不充分,發(fā)酵中產(chǎn)生的生物熱也不容易及時導(dǎo)出,細(xì)菌極易繁殖,導(dǎo)致總酸、殘還原糖濃度高而影響了出酒率。加水量過大,起酵時pH值高,細(xì)菌容易繁殖,同時生成的酒精濃度低而不足以抑制細(xì)菌,也會引起酸度上升。料水比為1:2.5時出酒率最大而酸度最低。2.1.2接種量對發(fā)酵的影響選擇合適的酵母接種量對于黃酒發(fā)酵過程非常關(guān)鍵。固定料水比1:2.5,麥曲用量8%,接種不同量酵母進(jìn)行發(fā)酵。如圖2所示,隨著接種量的增大,酒精度、還原糖和出酒率變化不顯著,但酸度明顯呈先下降后又上升趨勢。接種量為6%時,發(fā)酵起始階段不能形成酵母生長的絕對優(yōu)勢,發(fā)酵過程容易污染雜菌而生酸較重。相反,接種量太大,前發(fā)酵速度過快,糖化速度無法為酵母生長提供充足的碳源,酵母易衰退,發(fā)酵后期酸度緩慢上升,因此接種量10%時最有利于發(fā)酵。2.1.3麥曲用量對發(fā)酵的影響黃酒發(fā)酵是一個邊糖化邊發(fā)酵的過程,適宜的麥曲用量能保證糖化與發(fā)酵協(xié)調(diào)進(jìn)行。固定料水比為1:2.5,酵母接種量為10%,改變麥曲用量進(jìn)行發(fā)酵實(shí)驗(yàn),結(jié)果如圖3所示。當(dāng)麥曲用量較少時,各種酶不能及時為酵母提供還原糖和各種營養(yǎng)物質(zhì),酵母不能很快形成生長優(yōu)勢,因此,酒精度和出酒率最低,而酸度、殘?zhí)亲罡摺ｋS著加曲量的增加,酒精度、出酒率逐漸上升并趨向平衡,加曲量為10%時酒精度最高而酸度最低。2.1.4初始ph值對發(fā)酵的影響上述實(shí)驗(yàn)表明,即使在適宜的料水比、酵母接種量和麥曲用量條件下,高溫流化α-化大米發(fā)酵黃酒的酸度仍偏高。根據(jù)傳統(tǒng)黃酒生產(chǎn)中“以酸制酸”的原理,實(shí)驗(yàn)中直接用乳酸調(diào)節(jié)發(fā)酵液起始pH值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。從圖4可知,pH3.5后,酒精度、出酒率基本不變,而酸度和殘?zhí)亲兓氏认陆岛笊仙厔?。表明起始pH值太低,在抑制雜菌生長的同時,也會抑制酵母的生長和發(fā)酵。相反,發(fā)酵起始pH值高,發(fā)酵過程中雜菌容易繁殖,則成品酒酸度上升。當(dāng)起始pH4.5時,酵母最適宜生長又能一定程度抑制雜菌繁殖。2.2后酵期間總酸的變化根據(jù)上述單因素發(fā)酵條件對發(fā)酵影響的研究,選擇最佳工藝條件料水比1:2.5,酵母接種量為10%,麥曲用量10%,發(fā)酵起始pH值為4.5,進(jìn)行發(fā)酵實(shí)驗(yàn),結(jié)果如圖5所示。由圖5可以得出,在前酵期間,酒度上升很快,還原糖下降速度也很快,到第5d時,酒精濃度達(dá)到14.6%,而后酵期間酒精濃度增加較少。這表明,在前酵期間,在麥曲中的酶類(主要是淀粉酶)和酵母的協(xié)同作用下,快速地將高溫流化α-化大米中淀粉轉(zhuǎn)化為糖和酒精,進(jìn)入后酵后,隨著淀粉減少以及酶、酵母等活性的降低,酒精度和還原糖變化幅度下降。而在整個發(fā)酵過程中,總酸的變化呈階段性上升趨勢,第一階段在發(fā)酵的前2d,酸度增幅較大,隨后總酸基本穩(wěn)定,發(fā)酵第12d開始,總酸又有明顯上升。實(shí)驗(yàn)認(rèn)為,總酸的變化與酵母的細(xì)胞數(shù)及活性有關(guān),在發(fā)酵前2d,酵母和乳酸菌等微生物共同生長,導(dǎo)致總酸明顯增加,當(dāng)酵母進(jìn)入對數(shù)生長期,酵母的生長優(yōu)勢抑制了雜菌的生長,此時總酸基本不變。到發(fā)酵后期,隨著營養(yǎng)的缺乏和酒精等有毒代謝產(chǎn)物的釋放,酵母細(xì)胞數(shù)逐漸減少,到第12d,發(fā)酵醪液中細(xì)胞數(shù)已減少至1.1×108個/ml,這時雜菌的代謝活動得到一定程度的恢復(fù),總酸呈緩慢增長的趨勢,還原糖的變化也表明,發(fā)酵15d后,因酵母老化,還原糖不能充分酵解而逐漸積累。2.3補(bǔ)料時間的確定2.1、2.2結(jié)果表明,高溫流化α-化大米存在起酵過快、后期發(fā)酵不足、酵母容易早衰、成品酒總酸偏高等缺點(diǎn),這可能和大米高溫流化α-化處理后,體積膨脹的同時,其內(nèi)部形成多孔狀,相應(yīng)地增加了大米的比表面積,更容易被淀粉酶和糖化酶作用有關(guān)。另外,高溫流化α-化大米液態(tài)發(fā)酵麥曲用量偏大,成品黃酒麥曲味突出。因此,嘗試通過分批補(bǔ)料發(fā)酵法協(xié)調(diào)發(fā)酵速度,以期降低成品酒總酸和麥曲用量。從圖6(A)可以看出,補(bǔ)料時間推遲,成品酒酒精度緩慢降低,殘還原糖和總酸明顯上升,24h補(bǔ)料時總酸為5.53(g/L),補(bǔ)料時間超過96h后,成品酒的酸度達(dá)到8.4(g/L),已超出國家標(biāo)準(zhǔn)。這可能是因?yàn)槌跬逗?補(bǔ)料之前酵母不能及時獲得充足的碳源,酵母老化所致。因此,采用一次補(bǔ)料發(fā)酵工藝,補(bǔ)料時間應(yīng)選擇初投后24h,成品酒的總酸最低到5.53(g/L)。采用一次補(bǔ)料發(fā)酵工藝后,總麥曲用量從10%降到7.5%,但對總酸沒有顯著影響。在一次補(bǔ)料實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上嘗試二次補(bǔ)料,結(jié)果如圖6(B)可知,二次補(bǔ)料時間延長,成品酒酒精度和還原糖變化都不大,但總酸增加明顯,二次補(bǔ)料時間超過48h后,成品酒總酸超過5.9(g/L)。因此,二次補(bǔ)料時間應(yīng)選擇在36h(即一次補(bǔ)料后12h)。采用二次補(bǔ)料發(fā)酵工藝,總麥曲用量從10%降到7.5%,總酸降到3.56(g/L)。2.4不同投料方式對發(fā)酵中國過程的影響對優(yōu)化后的高溫流化α-化大米二次補(bǔ)料液態(tài)發(fā)酵和傳統(tǒng)蒸飯作比較。由圖7可以得出,高溫流化α-化大米發(fā)酵液中酒精濃度隨發(fā)酵時間的變化趨勢與傳統(tǒng)蒸飯黃酒完全相同,且最高酒精濃度可達(dá)到17.1%,這表明高溫流化α-化大米適用于釀造黃酒;盡管原料不同、投料方式不同,在主發(fā)酵期間,還原糖的下降速度都很快,表明在此期間酵母大量增殖,并將還原糖快速轉(zhuǎn)化為酒精。采用二次補(bǔ)料工藝,因初投時加水量大,起酵時發(fā)酵醪中還原糖濃度低于蒸飯,到后發(fā)酵期間,高溫流化α-化大米發(fā)酵液中還原糖略高于蒸飯。對兩批黃酒發(fā)酵過程進(jìn)行pH值和總酸跟蹤測定,結(jié)果如圖8所示。由圖8可以看出,兩種不同原料處理方式、不同投料方式,在發(fā)酵過程中發(fā)酵液的pH值變化趨勢基本一致,隨著發(fā)酵的進(jìn)行,發(fā)酵液中各種有機(jī)酸、氨基酸含量不斷增加,發(fā)酵液pH值不斷下降,在pH3.7左右趨向平衡;總酸在投料后的均緩慢上升,分批投料由于前酵第2d后二次補(bǔ)料,發(fā)酵醪被稀釋而總酸在前3d沒有明顯增加,但在第4d總酸明顯上升,之后的增幅與對照組蒸飯黃酒基本一致。對酵母細(xì)胞數(shù)的檢測可以直觀的表示出發(fā)酵的程度和發(fā)酵環(huán)境的優(yōu)劣。由圖9可知,在前酵的3d中,酵母增殖很快,3d后,酵母數(shù)達(dá)到最大,由于分批補(bǔ)料發(fā)酵醪液中還原糖濃度低,且補(bǔ)料時帶入適量氧,酵母細(xì)胞總數(shù)比蒸飯要多。在轉(zhuǎn)入后酵期后,酵母數(shù)達(dá)到穩(wěn)定階段,之后開始逐漸減少,但高溫流化α-化大米發(fā)酵醪中的酵母細(xì)胞數(shù)下降幅度比普通蒸飯法要大,這可能也是到后發(fā)酵期間,高溫流化α-化大米發(fā)酵液中還原糖略高于蒸飯的原因之一。2.5突出的主發(fā)酵特色采用二次補(bǔ)料液態(tài)發(fā)酵,對高溫流化α-化大米和蒸飯兩種黃酒比較結(jié)果見表1。高溫流化α-化大米黃酒的色澤較蒸飯黃酒深,具有黃酒特有醇香的同時,還有一種與蒸飯黃酒完全不同的奶油香味。感官區(qū)別是因?yàn)榇竺赘邷亓骰?化處理后,外觀呈微黃到金黃色,并具有濃郁的焦香味,在釀造過程中,其顏色和香氣也被引入成品黃酒中。對照國標(biāo)GB/T13662—2000,高溫流化α-化米黃酒的各項(xiàng)理化均指標(biāo)符合黃酒一般要求。3制備工藝優(yōu)化后補(bǔ)料發(fā)酵工藝3.1結(jié)合傳統(tǒng)黃酒釀造過程中積累的經(jīng)驗(yàn),綜合考察成品黃酒中酒精度、殘還原糖、總酸和出酒率,確定了高溫瞬時α-化大米液態(tài)發(fā)酵工藝條件為:料水比2.5:1,接種量10%,麥曲用量10%,起始pH4.5。在此工藝條件下,成品黃酒酒精度達(dá)到17.1%,還原糖為23g/L,總酸為4.42g/L。3.2在優(yōu)化后的液態(tài)發(fā)酵工藝條件基礎(chǔ)上,為進(jìn)一步降低總酸和麥曲用量,采用分批補(bǔ)料發(fā)酵工藝。經(jīng)實(shí)驗(yàn),采用二次補(bǔ)料,一次補(bǔ)料時間為初投后24h,二次補(bǔ)料時間為初投后36h,總酸降低至