生料发酵白酒超声陈化条件

吴佳敏，伍时华，杨晓，黄瑶*，易弋

1. 广西科技大学生物与化学工程学院（柳州 545006）；2. 广西科技大学广西糖资源绿色加工重点实验室（柳州 545006）；3. 广西科技大学广西高校糖资源加工重点实验室（柳州 545006）

在我国，生料发酵法最早应用于酿酒工业，以酒精发酵为切入点。生料发酵研究虽然起步晚，但发展快，20世纪90年代后期，仅生产白酒1项，年产量达到30万 t。白酒传统的自然陈酿技术，是将蒸馏出的白酒密封保存在陶罐或特制的容器中[1]，陈酿后的白酒口感协调甘绵柔和，但其消耗的时间过长，不适应工业化生产[2]。近年来，中国白酒催陈方面的技术迅速提高，并相继得到应用[3-4]，曹志新等[5]采用20 kHz超声波，对白酒处理60 min时，感官评分从83分提升到90分。杨婷等[6]对不同香型的白酒进行微波陈化后发现，在微波40 ℃处理45 min时，白酒的总酸提高约0.2 g/L，总酯约提高0.4 g/L。

试验利用粳米、糯米、玉米粉、高粱粉、小麦粉5种原料生料发酵，将发酵液蒸馏分段取得（63%vol）的白酒进行超声波陈化。超声波陈化的方法可以通过增加各类物质分子活化能[7]，以及水、醇、醛、酸、酯等极性分子的亲和力，增强乙醇和水分子缔合度，形成大且牢固的极性分子的缔合群[8]，改善生料法发酵白酒的口感，并使酒中产生羟自由基，这些羟基自由基是氧化反应和酯化反应的必要条件，促进酒中氧化反应进行，加快酯化反应进度[9-11]，提高白酒中酯的含量。超声波陈化与自然陈酿相比，所用时间较短，更适合工业化生产。该方法改善生料法发酵白酒的品质并为生料法发酵的白酒陈化提供参考。

1 材料与方法

1.1 酿酒原料与方法

粳米、糯米（广西柳州市售）；玉米粉、小麦粉、高粱粉（市售）；酒曲（四川新华扬山野生物有限公司）。

室温下，粳米、糯米、玉米粉、小麦粉、高粱粉5种粮食生料发酵，料水比1︰2.8，按照原料用量，酒曲添加0.8%，单发酵（前期发酵）28 d，混合发酵1︰1（后期发酵）7 d。将发酵液蒸馏分段取酒所得63%vol白酒进行超声陈化试验。

1.2 主要试剂、仪器与设备

氢氧化钠、甲基红、邻苯二甲酸氢钾（均为分析，纯西陇科学股份有限公司）；酚酞（分析纯，天津市光复精细化工研究所）；无水碳酸钠、硫酸（均为分析纯，西陇化工股份有限公司）；溴甲酚绿（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）；乙醇（色谱纯，安徽时联特种溶剂有限公司）。

超声波清洗器（KQ-500DE型，昆山市超声仪器有限公司）；气相色谱仪磐诺（A91，常州磐诺仪器有限公司）；HH系列数显恒温水浴锅（金坛市科析仪器有限公司）。

1.3 超声波处理方法

对分段取酒所得63%vol（总酸0.344 4 g/L，总酯1.355 2 g/L）白酒装入100 mL密闭玻璃瓶中各60 mL。放入超声仪中，设置不同的超声功率、时间、温度进行陈化。

1.3.1 超声条件的确定

超声功率、时间、温度的确定：选择超声功率、时间、温度为单因素，3个因素中固定其中2个因素，改变另一个因素的水平。改变单因素水平分别为：功率200，250，300，350和400 W；时间15，25，35，45和55 min；温度30，35，40，45和50 ℃。对超声所得白酒进行理化指标的测定。

1.3.2 正交试验设计

通过单因素试验对超声条件的确定，选取超声功率、超声时间、超声温度进行3个水平的L9(33)正交试验，对试验结果进行分析。采用综合平衡分析法与矩阵法确定出超声的最佳条件组合。因素水平见表1。

表1 正交试验因素水平表

1.3.3 综合平衡分析法分析多指标的正交试验数据

对每个指标分别进行直观分析，得到每个因素影响白酒的主次顺序和最佳水平组合，根据理论知识和实际经验，对各指标的分析结果进行综合比较和分析，得出较优组合[12]。

1.3.4 矩阵分析法分析多指标的正交试验数据

对于n个因素、m个水平的正交试验，采用矩阵分析法进行验证[13-14]。给出矩阵定义。

定义1：正交试验中有I个因，每个因素有m个水平，因素Ai第j个水平上的试验指标的平均值为kij，如果试验结果的考察指标是越大越好，则令Kij=kij，如果试验结果的考察指标是越小越好，则令Kij=1/kij，建立矩阵如式（1）。

定义3：水平层矩阵，正交试验中因素Ai的极差为建立矩阵式（3）。

定义4：影响试验指标值的权矩阵k=MTS。

矩阵中K1=K11T1S1，K11T1为是因素A1第1个水平的指标值占因素A1所有水平的指标值总和的因素A1的极差占所有因素的极差总和的比，二者乘积的数值不仅能反映因素A1第1个水平对指标值的影响程度，而且也能反映因素A1极差大小。其他因素和水平也是如此。通过计算，可得出各因素各水平对试验结果考察指标影响的权重，根据权重能够得出最优方案及影响因素的主次顺序。

1.3.5 理化指标的测定

参照国标GB/T 10345—2007《白酒分析方法》[15]测定中总酸含量的酸碱滴定法，计算如式（5）。

式中：X为样品中总酸的质量浓度（以乙酸计），g/L；C为氢氧化钠标准滴定溶液的实际浓度，mol/L；V为测定时消耗氢氧化钠标准滴定溶液体积，mL；60为乙酸的摩尔质量数值，g/mol[M（CH3COOH）=60]；50.0为吸取样品体积，mL。

总酯含量的测定采用国标GB/T 10345—2007《白酒分析方法》中的指示剂法，总酯含量计算如式（6）。

式中：X为样品中总酯的质量浓度（以乙酸乙酯计），g/L；C为硫酸标准滴定溶液的实际浓度，mol/L；V0为空白试验样品消耗硫酸标准滴定溶液体积，mL；V1为样品消耗硫酸标准滴定溶液体积，mL；88为乙酸乙酯的摩尔质量数值，g/mol，[M（CH3COOC2H5）=88]；50.0为吸取样品体积，mL。

乙醇的测定采用气相色谱法[16]，TM-930毛细管柱（25 m×0.53 mm×1.00 μ m）；载气：氮气（99.99%），分流进样，分流比10︰1，进样体积2 μL，进样口温度220 ℃，检测器温度250 ℃。升温程序：初始柱温80 ℃，保持2 min，以10 ℃/min速率升温至180 ℃，保持3 min。

1.3.6 感官品质测评

研究由6人组成感官评价小组，针对白酒的颜色、口感、气味、风格4项指标按总分100分进行品评，色占10分，香占25分，味占50分，风格占15分。评分员通过视、嗅、味等感官对产品色、香、味、风格进行综合描述、评分，白酒品尝评分标准[4]。

表2 白酒品尝评分标准

1.3.7 正交试验验证

选取同一批次的白酒（63%vol）分装3个100 mL密闭玻璃瓶中各60 mL。利用超声最佳条件参数对白酒进行超声陈化。分析超声所得白酒总酸、总酯、乙醇及感官评分变化关系。

2 结果与分析

2.1 超声功率对白酒理化指标的影响

如图1可知，随着超声功率增加，酒中游离乙醇与酸类物质发生酯化反应，导致总酸下降[17]。超声功率300 W时，总酯上升0.12 g/L，此时的感官78.92分，酒色透明，但香气不正。超声功率350 W时，总酯上升到0.30 g/L，乙醇也相对趋于稳定，感官评分为77分，无色透明，香气纯正，口感比较柔和。对于没有经过自然陈酿的白酒直接超声陈化，感官评价也达到较好等级。

功率400 W时，总酸又开始上升，总酯开始下降，可能是超声波空化效应和机械效应使酒中生成高温、高压的极端微环境，增强分子活性，促进酸类形成[18]，乙醇开始下降，感官评分下降到73.83分。说明功率越高，总酸越不稳定，并且超声波处理对酒体施加外来能量场，破坏原有平衡，导致酯类主要像分解反应进行[19]。综合考虑，在功率300 W时，感官评分最高，但酯香不足，功率350 W时，总酯最高，香气纯正，感官评分与300 W时相差不大，因此选取超声的最适功率为350 W。

图1 超声功率对白酒理化指标的影响

2.2 超声时间对白酒理化指标的影响

由图2可知，超声时间15 min时，总酸下降0.007 2 g/L，总酯上升0.274 7 g/L，是由于醇与酸发生的酯化反应所导致的。超声25 min后，超声波增强分子活性，促进酸类形成，导致总酸升高。乙醇也明显降低，一部分是由于酯化反应导致，另一部分由于超声时间过长，超声波中的水温升高，乙醇有一定挥发。只有在超声25 min时，总酸含量为0.320 4 g/L，总酯达到1.663 g/L，感官评分83.5分，无色透明，香气可佳。虽然在超声35 min时，总酯1.746 g/L，但感官评分只有77.42分，酒色不纯，醇香不足，还带微酸。因此，考虑选取超声的最适时间为25 min。

2.3 超声温度对白酒理化指标的影响

如图3，超声温度30 ℃时，总酸提高0.010 8 g/L，可能在超声过程中，醇被氧化成酸所导致。超声温度40 ℃时，总酸0.345 6 g/L，总酯1.496 5 g/L，感官评分76.83分，口感醇正，无色透明，乙醇基本保持不变。随着温度升高，总酸开始不稳定，缓慢上升，乙醇开始出现明显下降趋势，说明温度越高，乙醇挥发越快。超声温度50 ℃时，口感不正，有酸味，酒色不纯，感官评价75分。只有在40 ℃超声时，感官评价最高，口感醇正，无色透明。因此确定最适超声温度40 ℃。

图2 超声时间对白酒理化指标的影响

图3 超声温度对白酒理化指标的影响

2.4 正交试验结果

在单因素基础上，设计L9(33)正交试验，以总酯和感官评分为评价标准，结果见表3。

表3 正交试验结果

总酯R的顺序为A＞C＞B，白酒的主要香气成分是酯类物质，因此，酯类越高，白酒越香，影响白酒酯类物质升高的主要因素是超声时间，其次是超声温度和超声功率，得出的最优配方是A3B3C1；感官评价极差R的顺序为A＞B＞C，感官评分越高，说明白酒的色、香、味越好，受喜爱程度越高，得出最优配方是A3B1C3。影响感官的主要时间，其次是功率和温度。结果得不到一个统一标准，因此采用综合平衡法和矩阵法进行比较分析。

2.5 综合平衡分析法分析多指标的正交试验数据

对于白酒的超声时间，是影响白酒总酯和感官最主要的因素，总酯最高为K3（173.786），感官评价为K3（81.267），总酯和感官都达到最高并一致，因此考虑选择K3；对于白酒超声功率，总酯最高为K3（170.621），感官评价为K1（81.067），考虑到总酯的K1与K3相差0.434，感官评价K1与K3相差0.734，而且，超声功率是影响感官的次要因素，相对于总酯来说比较重要，因此选择K1；对于白酒的陈化温度，总酯最高K1（171.888），感官评价最高为K3（80.833），但相比于感官评价，陈化温度是影响总酯的次要因素，对感官的影响并不是很大，所以选择K1。综合平衡法得到的最佳参数组合为A3B1C1。

2.6 矩阵分析法分析多指标的正交试验数据

采用综合平衡分析法对各指标的评价具有一定主观性，尤其是对于多指标且无法评定主次或各指标同等重要的情况，无法做到科学、客观。矩阵分析法在分析多指标的正交试验数据时更具优越性。对试验结果分别建立总酯、感官评价的指标矩阵M、因素层矩阵T、水平层矩阵S、以及各指标的权矩阵E，2个指标的总权矩阵为Y，运算过程如式（7）～（15）所示。

由矩阵运算可得出，总权矩阵Y，Y值即为不同因素不同水平下对应的权重，影响总酯和感官的因素主次顺序依次为A＞C＞B，最佳条件参数组合为A3B1C1，超声功率300 W，超声时间35 min，超声温度35 ℃，与综合平衡分析法一致。相比于综合平衡分析法，矩阵分析方法的过程相对简单明，通过计算权矩阵，可直接得到各因素的优水平，以及因素主次顺序，并且结果较准确。

3 验证试验

利用优化后超声条件处理的63%vol白酒与陈化之前的白酒进行对比验证，结果见表4。

优化后超声条件处理的白酒总酸下降8%，总酯上升27%，乙醇下降6%，感官评分提高18%。总酯上升是因为醇和酸形成酯化反应，而酸的降低与酯的升高不成正比，是由于在超声过程中，有一部分醇被氧化成酸，另一部分会随着超声而挥发，导致总酸下降较少，乙醇下降较多。

表4 验证试验

4 结论

通过单因素试验和正交试验，结合超声陈化白酒的总酯和感官评价2个考察指标，确定最佳条件参数为：超声功率300 W，超声时间35 min，超声温度35 ℃。总酯提高27%，感官提高18%。理化指标达到（GB/T 20822—2007）国家固液法发酵白酒的标准。感官达到GB/T 10781.1—2006《浓香型白酒》的一级水平（总酸≥0.3 g/L，总酯≥1.5 g/L）。

超声波陈化可在较短时间提高白酒酯含量，改善白酒口感，适应现代化工业发展，缩短生料法发酵白酒自然陈酿周期。为生料法发酵白酒的陈酿技术及后续追踪试验提供参考。