高温流化-化大米液态发酵黄酒工艺研究

高温流化-化大米液态发酵黄酒工艺研究

为了优化传统黄酒生产中大量废水的洗大米、浸泡、蒸饭和水洗机，减少黄酒生产中高废水的排放，提出了一种大米高流动和处理设备。“高温流化α-化”是一种大米“干法”糊化工艺,旨在替代传统的“湿法”糊化工艺,从而从源头控制污染。前期研究表明,大米在270～300℃的热风中流化处理30～60s,大米中淀粉晶粒消失,成松散片状,淀粉糊化率与蒸饭持平,脂肪和可降解氮含量均明显下降,已具备发酵酿酒的条件。但实践中发现,高温流化α-化大米投料复水后极易形成糊状,沿用传统的大缸半液态发酵工艺,很难获得理想的黄酒。高温流化α-化工艺已成功应用于清酒生产中,而在黄酒生产中的应用研究少有报道。高温流化α-化大米是否适合发酵酿造黄酒以及如何酿造黄酒,将是“高温流化α-化”工艺能否产业化的瓶径。研究开发适合高温流化α-化大米特性的发酵工艺,对推动高温流化α-化工艺在黄酒生产中产业化应用,促进黄酒行业绿色可持续发展具有重要意义。本实验传统黄酒发酵的经验,研究优化高温流化α-化大米的液态发酵工艺,并提出分批投料的发酵工艺,探索一种适合高温流化α-化大米特性的发酵工艺。1材料和方法1.1材料、试剂和机器大米产自金坛;麦曲浙江东风酒厂。本实验研究所用试剂均为市售分析纯。自制高温流化α-化设备。1.2方法1.2.1r-温度流的制备290℃,45s高温流化α-化处理后,风冷至室温,密封待用。1.2.2接种酵母发酵按实验要求加入水、麦曲,按需要用乳酸调整pH值后接种酵母发酵。前发酵30℃、4d,后发酵15℃、16d。发酵结束后压榨、澄清过滤。1.2.3高温流化-化大米初投:高温流化α-化大米100g,麦曲用量10%(g/g高温流化α-化大米,以下同),酵母接种量10%(V/V),料水比1:3,起始pH4.5。补料:高温流化α-化大米100g,麦曲用量5%,料水比1:2。1.2.4料水比3,5初投:高温瞬时α-化大米100g,麦曲用量10%,接种量10%(V/V),料水比1:3,起始pH4.5。一次补料:高温瞬时α-化大米70g,麦曲用量5%,料水比1:2。二次补料:高温瞬时α-化大米30g,麦曲用量5%,料水比1:2。1.2.5蒸馏法的条件大米室温浸泡2d,沥水后常压水蒸汽蒸饭,100℃,45min,然后水淋冷却到28℃。1.2.6酒精、总酸、ph值和还原糖的测定参照GB/T13662—2000,实验数据单位除特别标注外均参照该标准。1.2.7葡萄质细胞采用血球计数法。1.2.8米发酵后黄油质量的变化定义出酒率为单位质量高温流化α-化大米发酵后获得的黄酒(15%,V/V)的质量(g/g)。酒样分别测量体积和酒精浓度,然后换算成酒精体积浓度15%。2结果与分析2.1高温流化-大米液体发酵条件的确定参照传统蒸饭黄酒液态发酵工艺,对料水比、酵母接种量、麦曲用量和发酵起始pH值等主要工艺条件进行研究。2.1.1料水发酵、发酵条件影响总酸、残还原糖的制备实验大米经过高温流化α-化处理后,颗粒体积膨胀约一倍,同时水分含量降低到1%左右,因此,复水时吸水量增加。设计不同料水比、麦曲用量8%,酵母接种量10%(V/V)进行发酵实验,结果如图1所示。由图1可知,随着加水比增加,成品酒酒精度逐渐降低,总酸、还原糖呈先降后升趋势。酒精度降低一方面是因为加水多稀释的原因,另一方面也是因为生酸和发酵不彻底,还原糖和出酒率的变化也证明了这一点。当料水比较低时,发酵液流动性差,酶及酵母与底物接触不充分,发酵中产生的生物热也不容易及时导出,细菌极易繁殖,导致总酸、残还原糖浓度高而影响了出酒率。加水量过大,起酵时pH值高,细菌容易繁殖,同时生成的酒精浓度低而不足以抑制细菌,也会引起酸度上升。料水比为1:2.5时出酒率最大而酸度最低。2.1.2接种量对发酵的影响选择合适的酵母接种量对于黄酒发酵过程非常关键。固定料水比1:2.5,麦曲用量8%,接种不同量酵母进行发酵。如图2所示,随着接种量的增大,酒精度、还原糖和出酒率变化不显著,但酸度明显呈先下降后又上升趋势。接种量为6%时,发酵起始阶段不能形成酵母生长的绝对优势,发酵过程容易污染杂菌而生酸较重。相反,接种量太大,前发酵速度过快,糖化速度无法为酵母生长提供充足的碳源,酵母易衰退,发酵后期酸度缓慢上升,因此接种量10%时最有利于发酵。2.1.3麦曲用量对发酵的影响黄酒发酵是一个边糖化边发酵的过程,适宜的麦曲用量能保证糖化与发酵协调进行。固定料水比为1:2.5,酵母接种量为10%,改变麦曲用量进行发酵实验,结果如图3所示。当麦曲用量较少时,各种酶不能及时为酵母提供还原糖和各种营养物质,酵母不能很快形成生长优势,因此,酒精度和出酒率最低,而酸度、残糖最高。随着加曲量的增加,酒精度、出酒率逐渐上升并趋向平衡,加曲量为10%时酒精度最高而酸度最低。2.1.4初始ph值对发酵的影响上述实验表明,即使在适宜的料水比、酵母接种量和麦曲用量条件下,高温流化α-化大米发酵黄酒的酸度仍偏高。根据传统黄酒生产中“以酸制酸”的原理,实验中直接用乳酸调节发酵液起始pH值进行实验。从图4可知,pH3.5后,酒精度、出酒率基本不变,而酸度和残糖变化呈先下降后上升趋势。表明起始pH值太低,在抑制杂菌生长的同时,也会抑制酵母的生长和发酵。相反,发酵起始pH值高,发酵过程中杂菌容易繁殖,则成品酒酸度上升。当起始pH4.5时,酵母最适宜生长又能一定程度抑制杂菌繁殖。2.2后酵期间总酸的变化根据上述单因素发酵条件对发酵影响的研究,选择最佳工艺条件料水比1:2.5,酵母接种量为10%,麦曲用量10%,发酵起始pH值为4.5,进行发酵实验,结果如图5所示。由图5可以得出,在前酵期间,酒度上升很快,还原糖下降速度也很快,到第5d时,酒精浓度达到14.6%,而后酵期间酒精浓度增加较少。这表明,在前酵期间,在麦曲中的酶类(主要是淀粉酶)和酵母的协同作用下,快速地将高温流化α-化大米中淀粉转化为糖和酒精,进入后酵后,随着淀粉减少以及酶、酵母等活性的降低,酒精度和还原糖变化幅度下降。而在整个发酵过程中,总酸的变化呈阶段性上升趋势,第一阶段在发酵的前2d,酸度增幅较大,随后总酸基本稳定,发酵第12d开始,总酸又有明显上升。实验认为,总酸的变化与酵母的细胞数及活性有关,在发酵前2d,酵母和乳酸菌等微生物共同生长,导致总酸明显增加,当酵母进入对数生长期,酵母的生长优势抑制了杂菌的生长,此时总酸基本不变。到发酵后期,随着营养的缺乏和酒精等有毒代谢产物的释放,酵母细胞数逐渐减少,到第12d,发酵醪液中细胞数已减少至1.1×108个/ml,这时杂菌的代谢活动得到一定程度的恢复,总酸呈缓慢增长的趋势,还原糖的变化也表明,发酵15d后,因酵母老化,还原糖不能充分酵解而逐渐积累。2.3补料时间的确定2.1、2.2结果表明,高温流化α-化大米存在起酵过快、后期发酵不足、酵母容易早衰、成品酒总酸偏高等缺点,这可能和大米高温流化α-化处理后,体积膨胀的同时,其内部形成多孔状,相应地增加了大米的比表面积,更容易被淀粉酶和糖化酶作用有关。另外,高温流化α-化大米液态发酵麦曲用量偏大,成品黄酒麦曲味突出。因此,尝试通过分批补料发酵法协调发酵速度,以期降低成品酒总酸和麦曲用量。从图6(A)可以看出,补料时间推迟,成品酒酒精度缓慢降低,残还原糖和总酸明显上升,24h补料时总酸为5.53(g/L),补料时间超过96h后,成品酒的酸度达到8.4(g/L),已超出国家标准。这可能是因为初投后,补料之前酵母不能及时获得充足的碳源,酵母老化所致。因此,采用一次补料发酵工艺,补料时间应选择初投后24h,成品酒的总酸最低到5.53(g/L)。采用一次补料发酵工艺后,总麦曲用量从10%降到7.5%,但对总酸没有显著影响。在一次补料实验的基础上尝试二次补料,结果如图6(B)可知,二次补料时间延长,成品酒酒精度和还原糖变化都不大,但总酸增加明显,二次补料时间超过48h后,成品酒总酸超过5.9(g/L)。因此,二次补料时间应选择在36h(即一次补料后12h)。采用二次补料发酵工艺,总麦曲用量从10%降到7.5%,总酸降到3.56(g/L)。2.4不同投料方式对发酵中国过程的影响对优化后的高温流化α-化大米二次补料液态发酵和传统蒸饭作比较。由图7可以得出,高温流化α-化大米发酵液中酒精浓度随发酵时间的变化趋势与传统蒸饭黄酒完全相同,且最高酒精浓度可达到17.1%,这表明高温流化α-化大米适用于酿造黄酒;尽管原料不同、投料方式不同,在主发酵期间,还原糖的下降速度都很快,表明在此期间酵母大量增殖,并将还原糖快速转化为酒精。采用二次补料工艺,因初投时加水量大,起酵时发酵醪中还原糖浓度低于蒸饭,到后发酵期间,高温流化α-化大米发酵液中还原糖略高于蒸饭。对两批黄酒发酵过程进行pH值和总酸跟踪测定,结果如图8所示。由图8可以看出,两种不同原料处理方式、不同投料方式,在发酵过程中发酵液的pH值变化趋势基本一致,随着发酵的进行,发酵液中各种有机酸、氨基酸含量不断增加,发酵液pH值不断下降,在pH3.7左右趋向平衡;总酸在投料后的均缓慢上升,分批投料由于前酵第2d后二次补料,发酵醪被稀释而总酸在前3d没有明显增加,但在第4d总酸明显上升,之后的增幅与对照组蒸饭黄酒基本一致。对酵母细胞数的检测可以直观的表示出发酵的程度和发酵环境的优劣。由图9可知,在前酵的3d中,酵母增殖很快,3d后,酵母数达到最大,由于分批补料发酵醪液中还原糖浓度低,且补料时带入适量氧,酵母细胞总数比蒸饭要多。在转入后酵期后,酵母数达到稳定阶段,之后开始逐渐减少,但高温流化α-化大米发酵醪中的酵母细胞数下降幅度比普通蒸饭法要大,这可能也是到后发酵期间,高温流化α-化大米发酵液中还原糖略高于蒸饭的原因之一。2.5突出的主发酵特色采用二次补料液态发酵,对高温流化α-化大米和蒸饭两种黄酒比较结果见表1。高温流化α-化大米黄酒的色泽较蒸饭黄酒深,具有黄酒特有醇香的同时,还有一种与蒸饭黄酒完全不同的奶油香味。感官区别是因为大米高温流化α-化处理后,外观呈微黄到金黄色,并具有浓郁的焦香味,在酿造过程中,其颜色和香气也被引入成品黄酒中。对照国标GB/T13662—2000,高温流化α-化米黄酒的各项理化均指标符合黄酒一般要求。3制备工艺优化后补料发酵工艺3.1结合传统黄酒酿造过程中积累的经验,综合考察成品黄酒中酒精度、残还原糖、总酸和出酒率,确定了高温瞬时α-化大米液态发酵工艺条件为:料水比2.5:1,接种量10%,麦曲用量10%,起始pH4.5。在此工艺条件下,成品黄酒酒精度达到17.1%,还原糖为23g/L,总酸为4.42g/L。3.2在优化后的液态发酵工艺条件基础上,为进一步降低总酸和麦曲用量,采用分批补料发酵工艺。经实验,采用二次补料,一次补料时间为初投后24h,二次补料时间为初投后36h,总酸降低至