玉米生料酿酒工艺优化及设备选型的研究

王瑛+喻恩森+张捷+严一红

摘要：通过正交试验对玉米生料酿酒的工艺进行了优化研究。结果表明，玉米生料酿酒的最佳条件以生料酒曲添加量0.7%，加水量300 kg/100 kg玉米粉，介质pH 4.0，玉米粒度140目为宜，搅拌式发酵反应器为较好的发酵设备。

关键词：玉米;生料酿酒;正交试验;发酵设备

中图分类号：S513;TS261.4        文献标识码：A        文章编号：0439-8114（2014）21-5230-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.21.047

Optimization of Wine Brewing with Uncooked Corn Materials and Equipment Selection

WANG Ying，YU En-sen，ZHANG Jie，YAN Yi-hong

（Enshi Polytechnic College， Enshi 445000， Hubei， China）

Abstract： Technology of brewing wine with raw mainze was optimized with orthogonal design. The results showed that optimal conditions were distilled yeast dosage of 0.7%， the amount of water of 300 kg/100 kg raw materials， the best medium pH of 4.0 and maize particle size of 140. The most suitable equipment for wine making with raw maize was agitated fermentation equipment.

Key words： maize; raw material wine making; orthogonal experiment; fermentation equipment

生料酿酒就是酿酒酵母利用生淀粉直接进行生长、繁殖及代谢的过程[1]。玉米中淀粉含量较高，达到70%～72%。在酿酒过程中，首先微生物利用自身代谢所产生的α淀粉酶、β淀粉酶、葡萄糖淀粉酶等将生淀粉转化成葡萄糖，在乙醇转化酶的作用下，将葡萄糖转化成乙醇，并排出细胞外。与传统高温蒸煮工艺相比，可以节约能源，提高出酒率，设备利用率提高30%，具有操作简便，便于工业化生产等优点[2]。20世纪20年代Stamberg提出α淀粉酶可将4%～10%的小麦生淀粉水解[3]，研究者在生料淀粉水解方面进行了大量研究。我国的酿酒业以大米为主要原料，由于大米原料日益紧缺，价格高涨，束缚了我国酿酒行业的发展，而玉米作为一种高产作物，其价格低廉。但在我国，玉米大部分作为饲料的原料，如果能够进行综合利用，进一步完善玉米生料酿酒工艺，提高出酒率，改善成品酒口感风味，对降低对大米的依赖和生产成本具有重要的意义。

将玉米的胚芽和表皮脱掉，仅用胚乳发酵，可避免因高含量的高级脂肪酸酯、丙烯醛等的产生而影响酒的质量[4]。生料发酵时不需要经过高温灭菌处理，杂菌数目多，为抑制杂菌污染，可在发酵液中加入防腐剂，如青霉素、焦性亚硫酸钾等[5]。但防腐剂的加入，会影响发酵相关酶类的活性。研究发现，只要控制发酵液的最初pH为4.0左右，杂菌也能得到抑制，也不影响生料发酵酶类的活性[6]。

发酵设备选型对于生料酿酒和熟料酿酒工艺而言，都是其工艺流程中的关键。传统的开放式生料酿酒设备，发酵效率低下，出酒率、口感风味均达不到现代化酿酒工艺的要求，因此有必要对生料酿酒设备进行选型，以筛选出高效节能、符合现代化酿酒技术发展趋势的生料酿酒反应器。

本试验以去表皮和胚芽的玉米为材料，通过生料酒曲菌种选育，菌种加量、颗粒大小、料水来源与比例等的确定对玉米生料酿酒工艺进行了优化，并对相关设备选型进行了比较分析，旨在为推动生料酿酒技术的普及提供理论指导。

1  材料与方法

1.1  材料

玉米（鄂玉26），生料酒曲（山东海天酿造设备有限公司生产的快速高产生料酒曲、襄阳德林生物制品厂生产的小神童生料酒曲、永州雅大科技实业有限公司生产的雅大牌生料高产酒曲，分别记为Y1，Y2，Y3），纯净水，磷酸等。

1.2  仪器及设备

DHP-9162型电热恒温培养箱（上海柏欣仪器设备厂），BX-9030A型250度精密立式鼓风干燥箱（上海柏欣仪器设备厂），LH-A80型酒精测定仪（杭州陆恒生物科技有限公司）;手持糖量计（杭州陆恒生物科技有限公司）;TP310型台式精密酸度计（北京时代新维测控设备有限公司）;转鼓式发酵器、旋转圆盘式发酵机和搅拌式发酵反应器（镇江恒顺酱醋厂）。

1.3  方法

1.3.1  生料酒曲的筛选  为了确定3种生料酒曲的发酵性能，将玉米粉碎成140目的颗粒细粉，按100 kg玉米细粉加入30 ℃左右的温水300 kg，按0.7%的比例加入生料酒曲，在30 ℃条件下进行发酵。在5、10、13、20、25、35、40、50、60、70、80 h时用酒精测定仪测定酒精度。并在1～9 d内用手持糖量计每天测定发酵液表观糖度变化，手持糖量计的操作流程参照黄雪松[7]的方法。

1.3.2  玉米生料酿酒工艺的优化  为了确定玉米生料酿酒的最优工艺，在前人研究[6，8-11]的基础上，采用4因素3水平的正交试验，以颗粒大小、加水量、介质 pH、酒曲添加量为因素，发酵温度30 ℃，以100 g玉米粉为基准，以发酵酒产量和表观糖浓度为指标，每天测定直至乙醇含量和表观糖度不再升高为止。正交试验因素和水平见表1。

1.3.3  发酵反应器的选型  为了比较不同发酵器的出酒能力，通过测定在最优工艺条件下的酒精度，控制发酵温度为30 ℃，比较转鼓式发酵器、旋转圆盘式发酵机和搅拌式发酵反应器3种发酵设备（分别记为X1，X2和X3）的发酵性能。

2   结果与分析

2.1  生料酒曲的筛选

酒曲发酵出酒率的高低显示出酒曲发酵性能的好坏，以此作为酒曲筛选的评判标准之一。筛选出的酒曲发酵出酒率结果如图1所示。由图1可知，Y1酒曲在10 h时乙醇体积分数达到最大值，其他两种酒曲则在13 h时达到最大值，随后发酵力逐渐下降，产酒精能力也逐步减小，Y1酒曲在35 h出现第二个发酵高峰，Y3酒曲则在40 h出现第二个高峰期，Y2酒曲则没有出现第二个高峰期。从整个发酵过程中的总出酒率可以看出，Y1的出酒率最大，达到56.06%，Y3次之，为43.7%。

酒曲中的酵母所利用的糖来自酒曲中所含的糖化酶、液化酶对淀粉水解而产生的糖类，通过测定发酵液中糖浓度含量的变化，可以了解酒曲的作用效果。对发酵液表观糖度的测定结果如图2所示。结果表明，Y1、Y2、Y3酒曲的表观糖度在第六天均达到最高值，随后逐步降低;Y1酒曲的糖度高于Y2与Y3，因此以Y1酒曲作为玉米生料酿酒的发酵菌种。

2.2  玉米生料酿酒工艺的优化

由表2中的极差值可知，各指标对乙醇体积分数的影响大小依次为酒曲添加量、介质pH、原料颗粒大小、加水量;各指标对发酵液表观糖度的影响依次为原料颗粒大小、介质pH、酒曲添加量、加水量。从中可以得出，最佳因素水平组合为原料颗粒大小140目，加水量为300 kg/100 kg玉米粉，介质pH 4.0，酒曲加量为0.7%。

2.3  发酵反应器的选型

为比较不同的发酵器的出酒能力，通过测定在最优工艺条件下的乙醇体积分数，比较了转鼓式发酵器、旋转圆盘式发酵机和搅拌式发酵反应器（分别记为X1、X2和X3）的发酵性能，结果如图3所示。由图3可知，发酵设备X2的发酵乙醇体积分数较X1和X3高，发酵能力最强。生料发酵液的乙醇体积分数随发酵时间的变化而变化，生料发酵的时间为3～5 d，发酵液的最终乙醇体积分数可达13.53%。

3  讨论

3.1  生料酒曲的筛选

生料发酵所用的酒曲为白酒发酵提供丰富的酵母种类、发酵酶（如糖化酶、液化酶等）及白酒调味物质，其质量的好坏直接关系到白酒的出酒率和酒质。本试验对来自3个厂家的酒曲进行发酵性能对比发现，Y1的酒曲在10 h时乙醇体积分数达到最大值，其他两种则在13 h时达到最大值，随后发酵力逐渐下降，产乙醇能力也逐步减小。Y1酒曲在35 h出现第二个发酵高峰，Y3则在40 h出现第二个高峰期，Y2没有出现第二个高峰期。何静等[12]研究了来自闽清新农星食品商贸有限公司的生料酒曲，同样发现有两次发酵高峰的出现。本试验中Y1的总出酒率最大，达到56.06%，Y3次之，为43.7%。从表观糖度来说，Y1的糖度高于Y2与Y3，因此以Y1为玉米生料酿酒的最佳酒曲发酵菌种。

3.2  玉米生料酿酒工艺

生料酒曲发酵力的强弱与酒曲中所含的糖化酶活力、酵母量的高低有关。李祥等[6]通过试验发现，液化淀粉酶（α淀粉酶）与糖化酶混合使用时，糖化酶的活力升高到原来的3～5倍，因此，酒曲的筛选不是淀粉酶、糖化酶及酵母菌的简单复合。但酒曲过量的情况下，因酵母量大，可能会导致酸性物质的产生，影响酒的口感和质量。韦珂等[8]、曾凡洲等[10]研究发现，0.7%的酒曲加量，发酵液的发酵力最强，与本试验研究结果一致。

生料的粒度有利于淀粉与酒曲的接触，粒度的大小影响出酒率[13]，也影响酒的风味。粒度过粗，发酵结束时有硬心存在于玉米粒中间，即生料没有完全被利用;粒度过细，不仅粉碎时耗能多， 而且混入的皮、胚较多，发酵虽透彻，但是酒香味和口感不好。本试验结果表明，140目的玉米颗粒用于酿酒时，出酒率最高，最适合于生料发酵酿酒，发酵液的表观糖度适宜。

加水量的多少直接影响着生料粉浆浓度，浓度过高，会对出酒产生抑制作用。韦珂等[8]研究发现料水比为1∶4时，玉米生料乙醇发酵产率最高，而刘振等[9]研究发现1∶2为最佳料水比，本试验发现加水量在300 kg/100 kg玉米粉时较适合。

用磷酸调节发酵液的pH，将发酵系统控制在酸性范围，可高效杀灭杂菌，本研究将pH控制在4.0时，发酵系统的发酵性能最高。这与何静等[12]、韦珂等[8]研究结论不同，其研究发现最佳发酵起始pH分别为5.0与5.5。

3.3  发酵反应器的选型

要使生料酿出的酒具有醇和爽净的优雅品质，而又兼具清、浓酱或其他香型的独特风味，发酵设备的选择至关重要。石贵阳等[14]在研究外环流式发酵罐用于玉米生料乙醇发酵时，发现较大的高径比对发酵有利。本试验结果表明，搅拌式发酵反应器的发酵能力最强。

3.4   生料酿酒与熟料酿酒的比较

玉米经过前期蒸煮消毒，制成熟料酿酒具有发酵速度快、残糖浓度低的特点，出酒率在28%～30%[15]，本研究发现生料酿酒出酒率达到56.06%，表明生料酿酒的淀粉和原料出酒率比熟料酿酒高，而且熟料玉米更多的消耗其他材料，特别是煤炭等资源。因此，采用玉米生料比熟料酿酒更具有优势。

4  结论

通过对生料酿酒的酒曲筛选和工艺进行了研究和优化，最佳发酵酒曲和工艺为山东海天酿造设备有限公司提供的快速高效生料酒曲，原料颗粒大小为140目，加水量为300 kg/100 kg玉米粉，介质pH为4.0，酒曲添加量为0.7%，并确定搅拌式发酵反应器为最适宜的发酵设备。

参考文献：

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（责任编辑  赵  娟）

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（责任编辑  赵  娟）