中国白酒香味物质形成机理及酿酒工艺的调控

中国白酒香味物质形成机理及酿酒工艺的调控庄名扬(中国科学院成都生物研究所,四川成都610041)摘要:阐述了中国白酒香味成分的形成机理:分别来源于酿酒原料、微生物代谢及次生代谢产物、各类生物酶直接或间接催化下的生物合成;非酶化学反应及热降解反应等;据此作者提出了原料的选择和处理,酿造工艺中大曲培制、蒸馏、堆积发酵等技术要点。中图分类号:TS262.3;TS201.2;TS261.4文献标识码:B中国白酒香味物质种类繁多,包括醇、醛、酮、酸、酯、缩醛、芳香族化合物、含氮化合物、含硫化合物、醚类、内酯类等化合物达数百种之多,我国三大主要香型白酒中的香味成分,茅台酒有963个色谱峰,浓香型酒有674个色谱峰,清香型酒有484个色谱峰,中国白酒明显比白兰地、威士忌的色谱峰要多得多。因而中国传统名优白酒是世界上香味成分最为丰富的蒸馏酒。如此众多的香味成分,其形成机理及与传统工艺之间的关系,本文作一简明阐述,供读者讨论与参考。1中国白酒香味物质的形成机理1.1白酒中部分香味物质来源于酿酒原料酿酒原料均为谷类果实,其香味成分可分成两种情况,一是生谷粒的香气,这些组分通常由植物生长过程中的生物合成,呈现的香气一般较弱,另一种是经过热处理以后的熟谷粒的香气,它们是在加热过程中经非酶反应产生,呈现一些特征香味。就其挥发性组分而言,谷物种类不同,则其组分有较大差异。1.1.1大米与糠壳:有250多种挥发性物质,其中包括醇、醛、酮、酸、酯、酚、内酯类、乙缩醛类、呋喃类、吡嗪类、噻吩、噻唑类等化合物。其中内酯类如γ-壬内酯、2、3-二甲基2-壬烯γ内酯,香气温和,甜而浓重或称老练。甲基酮类如3-戊烯-2-酮,甜而略带酸味。其中2-乙酰基噻唑、苯噻唑是米糠气味的重要特征组分。米糠中不愉快的气味物质为4-乙烯基苯酚、4-乙烯基愈创木酚,呈腐败的稻草臭味。1.1.2小麦:其挥发性成分比较单纯,主要为C1-C9的饱和醇、C2-C10的饱和醛、个别不饱和醛、C2-C7饱和脂肪酮及少量的乙酸乙酯。1.1.3玉米:含有60多种挥发性成分,包括C1-C9的饱和醇及1-辛烯-3-醇、4-庚烯-2-醇;C2-C9的饱和醛及2,4-癸二烯醛;C6-C9饱和甲基酮及4-庚烯-2-酮;芳香族化合物及2-戊基呋喃。白酒中芳香族化合物主要来源于玉米。1.1.4大麦:大麦受热时生成的挥发性组分较多,有醇、酸、酚、酮及内酯、呋喃、吡啶、吡嗪类化合物,其中羰基化合物,内酯类及吡嗪类化合物贡献最大,即含量较高。1.1.5豌豆:豌豆中2-甲基-3-乙基吡嗪、2-甲氧基-3-异丁基吡嗪最为重要,具有极强的坚果香及甜焦香气。并含有丰富的蛋白质和维生素,为白酒香味组分形成提供了丰富的前驱物质。1.2微生物代谢及次生代谢产物酿酒过程中有大曲微生物、窖泥微生物,空气微生物等。以浓香型窖泥微生物为例,其中最重要的类群中梭状芽孢杆菌,其主要代谢产物是己酸、丁酸、氢,前者再与乙醇酯化形成浓香型白酒的主体香己酸乙酯。其次还有异养菌、各类发酵菌、多种产甲烷菌等。这些微生物的代谢产物也是香味物质或前体物质。同时这些微物类群在发酵中相互影响,相互制约,形成种类繁多的代谢产物。如图1所示:图1由淀粉生成香味物质示意图收稿日期:2007-01-20作者简介:庄名扬(1940-),男,研究员,江苏通州人。主要从事药物化学及生物学的研究工作。有数部专著及多篇论文发表。1993年被国务院授予“有突出贡献的专家”称号。名家·名人论酒本栏目由独家协办大曲牌第34卷第2期2007年3月酿酒LIQUORMAKINGVol.34.№.2Mar.,2007文章编号:1002-8110(2007)02-0109-05·109·1.3.2.2白酒中具有甜柿子椒香的2-甲氧基-3-异丁基吡嗪,也是由亮氨酸经生物合成而产生的。反应途径如图4所示。图42-甲氧基-3-异丁基吡嗪合成途径1.3.3以芳香族氨基酸为前体的生物合成以苯丙氨酸为前体,在各类酶催化下,则生成桂皮酸甲酯、阿魏酸、丁香酸、丁香酸酯。1.3.4以含硫氨基酸为前体的生物合成以半胱氨酸为前体,在各类酶催化下,则生成硫醚,如二甲基硫,二硫二甲基等。1.3.5以亚麻酸、亚油酸、色素等为前体的生物合成本文不一一列举。1.4非酶促化学反应1.4.1蒸馏过程的热影响白酒中微量成分形成的另一基本途径是非酶促化学反应。我们在蒸馏过程中,在热的影响下发生降解或相互作用,生成大量的新的香味成分,新的微量成分的形成既与酿酒的原料组成有关,也与受热的时间长短有关,在蒸馏过程中主要发生的非酶促化学反应为羰氨反应,维生素、类胡萝卜素的分解,酚类化合物氧化,含硫化合物降解等。1.3各类生物酶的直接或间接催化下的生物合成1.3.1以直链氨基酸为前体的生物合成白酒中含有低碳数的醇、醛、酯等化合物,生物合成这些嗅感物质的前体有很大一部分来自氨基酸。其合成过程一般途径如图2所示:1.3.2以支链氨基酸为前体的生物合成1.3.2.1白酒中呈香蕉风味的乙酸异戊酯和具苹果风味的异戊酸乙酯,是由支链氨基酸—L-亮氨酸为前体生物合成而产生的。反应机理如图3所示。第二期2007酿酒·110·1.4.2基本组分的相互作用原料中的基本组分为碳水化合物、蛋白质和脂肪,它们在酶、酸作用下,分解成单糖、氨基酸和脂肪酸,在热处理过程中的相互作用,最主要的是糖类与氨基酸之间发生的Maillard反应(羰氨反应),这一反应所产生的香味物质,香气优雅,因而特别受到重视。Maillard反应的产物十分复杂,既和参与反应的氨基酸及单糖的种类有关,也与受热的温度高低、时间长短、体系的pH、水分等因素有关。一般来说,当受热时间较短、温度较低时,反应产物主要除了Strecker醛类以外,还有特征香气的内酯类和呋喃类的化合物;当温度较高、受热时间较长时,生成的香味物质种类有所增加,将有吡嗪类、吡咯、吡啶类化合物形成。其形成途径作者已在多篇论文中详细论述,本文不一一列举。1.5基本组分的热降解1.5.1糖的热降解:淀粉酶解成单糖或双糖后,在热作用下,往往会在分子内或分子间发生脱水反应,生成以呋喃类化合物为主的香味成分,并有少量的内酯类、环二酮类等物质,其反应途径与Maillard反应中生成糠醛途径相似,如果受热时间长,温度高,则单糖裂解为丙酮醛、甘油醛、乙二醛等低分子化合物。1.5.2氨基酸的热降解:一般氨基酸受热到较高温度时,都会发生脱羧反应或脱氨反应,生成的产物可进一步相互作用,而形成良好的香味成分,如含硫氨基酸热降解产物有噻唑类、噻吩类、以及许多含硫化合物。它们是挥发性极强的、阈值甚低的一类化合物。1.5.3脂肪的热氧化降解:酿酒原料中的脂肪最易氧化,在受热条件下,更加速了氧化反应的发生,脂肪的氧化降解产物中,许多挥发性物质均为白酒中的重要香气成分,如β-烯醛、二烯醛、烷基呋喃、内酯及短链脂肪酸等。1.5.4非基本组分的热降解1.5.4.1硫胺素的热降解:硫胺素本身无香味,但其热降解产物咪啶、噻唑、噻吩、呋喃类化合物,如2-甲基-3-呋喃二硫化合物;2-甲基-3-酮四氢噻吩分别具有优雅的肉香和炒栗子香。1.5.4.2抗坏血酸的热降解:抗坏血酸极不稳定,在热、氧气或光照条件下极易降解生成糠醛及甘油醛、乙二醛等低分子化合物。并与其他化合物反应生成新的香气成分。综上所述:中国白酒中风味物质的形成,不仅是微生物将淀粉、蛋白质等物质转化而生成醇、醛、酸、酮、酯等物质,同时与酿制过程中的原料选择、制曲工艺、酿酒操作过程密切相关。必须注意酶促生物合成、非酶化学反应及热降解作用,方能酿造出优雅丰满、醇和、圆润、净爽的酒体。2酿酒工艺的调控2.1酿酒原料选择与处理2.1.1由于大米、糠壳、玉米等具有众多的挥发性香气成分,因而从白酒酒体丰满角度而言,采用多种原料酿酒优于单一原料,由于酿酒企业所用原料种类及比例不同,形成了中国白酒个性风格及流派。2.1.2原料中具有丰富的挥发性组分,所以采用混蒸混烧的传统工艺,使挥发性组分带入酒体,而使酒体丰满。如将原料清蒸后使用,原料中挥发性组分也随之部分丧失。2.1.3蒸酒过程中,不仅是提取回收已发酵生成的产物,也是原料中的基本组分、非基本组分的热降解及降解产物间发生反应的过程。所以探气上甑、缓慢蒸馏,方能达到上述反应过程的发生与完成。2.1.4大麦中含有醇、酸、酚、酮及内酯、吡嗪类等化合物,而豌豆有较高含量的蛋白质和硫胺素及2-甲基-3-乙基吡嗪、2-甲氧基-3-异丁基吡嗪等化合物,所以某些酿酒企业,利用大麦及豌豆为制曲原料,其目的是增加酒体中的香味成分,而使酒体优雅丰满。2.1.5糠壳中有显腐烂稻草味的4-乙烯基苯酚、4-乙烯基愈创木酚及少量的H2S和乙醛,所以使用糠壳为酿酒辅料,必须先行清蒸,将其挥发。清蒸糠壳不是去掉糠醛,也无糠醛可除。2.1.6赵东等同志在气相色谱--质谱法测定酒糟、白酒中的芳香族香味成分一文中,测出了酒糟、白酒中30余种芳香香味成分(表1)。虽然白酒中含量较少,但其香味突出、阈值较低、味优雅,且沸点高,难挥发,香味保留时间长,这是使酒体优雅、醇厚等风味形成的重要因素。国外的白兰地、威士忌、劳姆酒中都含有较多的芳香族化合物。这些芳香族化合物主要来源于原料的单宁、木质素、阿魏酸、香草醛,经酵母、细菌发酵而生成,所以利用含上述物质较多的高粱、小麦为酿酒原料,方使酒体香浓谐调、完美。表1酒糟、白酒中的芳香族香味成分1234567891011化合物愈创木酚4-乙烯基愈创木酚4-乙酰基愈创木酚4-甲基愈创木酚4-乙基愈创木酚对羟基苯乙醇β-苯乙醇苯乙醛苯甲酸苯乙酸邻苯二甲酸二乙酯1213141516171819202122化合物苯丙酸苯乙酸乙酯苯丙酸乙酯对羟基苯丙酸对羟基苯甲酸丙酯对羟基苯甲酸乙酯香草高酸乙酯香草酸乙酯对羟基苯乙酸乙酯己酸苯乙酯3-苯基乳酸23242526272829303132化合物乙酸苯乙酯苯丙烯酸香草醛香草酸香草高酸丁香醛对羟基苯甲醛对缩苯乙醛对甲酚2,5-二叔丁基对甲酚庄名扬:中国白酒香味物质形成机理及酿酒工艺的调控第二期2007·111·2.2微生物区系的完善性中国白酒酿制过程中所涉及的微生物包括四大类:原核生物中的细菌、放线菌、真核生物中的酵母菌、霉菌。它们在发酵过程中相互影响、相互制约,方能形成种类繁多的代谢产物。使主体香和辅助香相辅相成,使酒的香、味、格多维完美,统一协调。本文以浓香型窖泥微生物为例阐述其优化组合的类群的重要性(表2)。表2各类微生物在老窖泥中的数量分布老窖泥名酒厂A名酒厂B己酸菌8.10×1073.80×107丁酸菌6.70×1045.20×105乳酸菌3.60×1067.70×106硫酸盐还原菌1.82×1056.20×102硝酸盐还原菌2.80×1059.31×105由表2可知,老窖泥中厌氧细菌的菌群种类和数量及其菌系组成的合理性,这决定其潜在功能的发挥,厌氧功能菌系之间的协同作用是生产以己酸乙酯为主体香、各味协调的优质浓香型白酒的前提。己酸菌属于厌氧梭状芽孢杆菌,它在窖泥中富集是窖池成熟的标志,是老窖的特征,甲烷菌生长要求在-300mv以下的氧化还原电位,它在窖池中富集表明窖池中厌氧生态环境的成熟。由于甲烷菌能通过“种间氢转移”机制降低反应自由能和环境氢分压,使己酸菌利用乙醇氧化为乙酸的反应能顺利进行,甲烷通过转甲基作用能有效地促进己酸生成。甲烷菌还能改变丁酸菌产物,避免丁酸过量生成。窖池内硫酸根浓度处于正常情况时,硫酸还原菌氧化乙醇、乳酸等产生乙酸、氢气和二氧化碳,既避免了乳酸过量,而且生成的乙酸是己酸的前体,有利于己酸产量的提高,所产生的氢气有利于甲烷菌的生长繁殖。乳酸菌是兼性厌氧菌,它的生长将消耗环境氧,降低氧化还原电位,为厌氧生态环境的形成创造条件。硝酸盐还原菌能有效地消除对厌氧发酵不利的NO3-,产生N2、、NO和NO2,在有机质含量高的土壤中,还能转化NO3-为CO2和NH3作为窖内空间的填充气体,阻止氧气进入,维持窖内环境。其反应特性如下列各式所示。A、己酸菌、甲烷菌联偶:CH3CH2OH+H2O→CH3COOH+2H24H2+CO2→CH4+H2OB、硫酸盐还原菌氧化乙醇、乳酸生成乙酸、氢气和二氧化碳:CH3CH2OH+H2O→CH3COOH+2H2CH3CH(OH)COOH+H2O→CH3COOH+CO2+2H2C、甲烷菌参与硫酸盐还原菌共酵:4H2+HCO3-+H+→CH4+3H2O4H2+SO32-→S+4H2O因而窖泥中厌氧细菌是一优化的组合菌群,相互协调,相互制约,单一强化某一种细菌,如己酸菌或己酸、甲烷菌,可能达到增加己酸产量的目的,但影响酒体的协调性,造成酒体单薄与爆辣,实践证明,在人工窖泥的培养中,采用含己酸菌、丁酸菌、乳酸菌、甲烷菌、硫酸盐还原菌及硝酸盐还原菌等多菌种的复合菌群,既克服单一己酸甲烷菌培养窖泥使酒体出现爆辣的缺陷,且明显提高主体香味物质己酸乙酯的含量,各种酯类物质的比例协调,酒体绵柔、丰满。2.3大曲的作用与培制工艺大曲不仅是糖化发酵剂,尤其是生物酶产生与贮存的载体,也是原料中基本与非基本组分热降解和非酶促化学反应的过程。因而大曲质量的优劣,决定白酒质量好坏。前文已阐述了各类生物酶的直接或间接催化下生成各类香味物质,其包含的生物酶种类繁多,有淀粉酶(α-淀粉酶、β-淀粉酶、糖化酶、异构淀粉酶等)、蛋白水解酶、酯化合成酶、转氨酶、脱羧酶、氧化酶等。所以大曲培制过程应追求大曲中生物酶多样性。我们很多酿酒企业,只注意糖化率高低,甚至认为只有糖化率高方是优质曲,这不能不说是一错误的观念。我们在注意糖化酶活力高低的同时,起码要求大曲应有适当的α-淀粉酶(液化型)、蛋白水解酶的活力。否则不但出酒率不高,且酒体淡薄。因为没有液化型α-淀粉酶和蛋白水解酶,不能将淀粉转化成糊精,蛋白质不能转化成氨基酸,因而提高液化型α-淀粉酶、中性、酸性蛋白水解酶的活力,应是大曲重要指标。从微生物特性而言,细菌(多种芽孢杆菌)既产生液化型α-淀粉酶,又产生中性或酸性蛋白酶,如地衣芽孢杆菌,要使这两种酶的活力提高,必须给予细菌生存繁殖发酵的条件,因而适当提高制曲水分(38%-40%)和微氧(踩曲、提浆要好)环境是必需的。制曲过程既是生物酶产生过程,又是原料中部分淀粉、蛋白质、脂肪酶解过程。在50~60℃各种生物酶达到最适酶解温度。所以制中高温大曲,也是所追求的目的之一,产生一定量的葡萄糖、氨基酸、高级脂肪酸。这些物质在热的作用下,促使这些基本组分、非基本组分的热降解产生多种香味物质。同时发生非酶化学反应。所以制曲过程实际是热降解及非酶化学反应过程。大曲中微量成分的种类多少,含量高低在白酒中发挥了相当重要的作用,它影响着中国白酒的质量和风格。赵东等人采用顶空固相萃取气质联用法测定大曲中的香味成分,发现大曲中的香味成分有吡嗪类、吡啶类、吡咯类、呋喃类、吡喃类、噻唑类高级脂肪酸类。达数十种之多(表3)。它们必然融入酒体而影响酒的质量与风格。表3充分说明大曲培制过程发生了非酶促化学反应(Maillard反应)及基本组分的热降解,从两反应的条件而言,温度愈高,时间愈长,反应进行速度愈快,产率愈高,因而制曲温度的提高,中挺时间的延长是大曲中微量成分种类多、含量高的必要条件。中低温制曲,中挺时间短,即使发生非酶化学反应,也只能是进行Maillard反应的初级阶段,生成各种醛类物质或呋喃、吡喃类化合物。吡嗪类、噻唑类化合物在高温下,后期方能生成。2.4基本组分热降解、非酶化学反应的补充措施—堆积发酵由于气候条件的限制、传统观念的制约,而使原料中基本或生成的基本组分未能在较高温度下发生热降解和非酶促化学反应。可在酿酒工艺中进行调控和补充,即将糟醅(浓香型、清香型)部分进行堆积发酵。酱香型、兼香型、芝麻香型白酒酿制工艺,即利用该原理而进行的,只是调控措施的准确掌握和完善的问题,本文就浓香型、清香型白酒生产过程中利用部分糟醅进行堆积发酵生产调味酒的技术措施谈谈粗浅看法,供诸企业参考。第二期2007酿酒·112·2.4.1基本组分的调整:原料中蛋白质的含量高低,是影响反应产物的重要因素,因而可在糟醅中适量增加蛋白源。小麦、大麦、豌豆均有较高含量的蛋白质,尤其豌豆不仅蛋白质含量达23%~27%,且含有硫氨素,其热降解产物有呋喃、呋喃硫醇、噻吩、噻唑等化合物。堆积过程是富集空气中酵母而不断增殖过程,酵母菌的大量增殖,即增加了单细胞蛋白,从而使糟醅中的蛋白质含量大大提高。2.4.2提高蛋白水解酶活力:中高温大曲一般有较高的蛋白水解酶活力,所以堆积发酵应选用中高温大曲。最佳 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 应将产生高活力蛋白水解酶的芽孢杆菌或放线菌制成麸曲,与大曲混合使用,使糟醅中的蛋白质酶解成各类氨基酸,为生物合成、热降解、非酶化学反应提供足量的前提物质。2.4.3堆积温度与时间:堆积温度一般应控制在45~50℃,使各类生物酶达到最适酶解温度,而使糟醅中产生多种基本组分,从而发生热降解和非酶化学反应,生成多种香味物质,使酒体幽雅细腻、绵柔丰满。我们在河套浓香型白酒酿酒工艺技术创新研究中,在调味酒生产中应用高温堆积发酵技术,并在堆积工艺中,创造性地使用了产生蛋白酶活力较高的地衣芽孢杆菌,并增加了糟醅中的蛋白质含量,在堆积过程中,在较高温度情况下,蛋白水解酶将糟醅中的蛋白质酶解为氨基酸,与还原糖发生褐变反应,生成多种香味物质,使酒体幽雅细腻、绵柔丰满。江苏双沟酒厂也在其浓香型酒生产工艺中应用高温堆积发酵技术,生产的基酒与原工艺产酒相比,己酸乙酯的含量增加了60-80mg/100mL,以己酸乙酯为主的复合香气更加浓郁、丰满,新酒味明显减少,酒的陈味显著,酒体更加绵柔圆润。3结语中国白酒风味物质的形成,不仅是微生物代谢及次生代谢的产物,同时是原料中基本组分及非基本组分,在各类生物酶的直接或间接催化下的生物合成。非酶促化学反应和热降解反应的结果。因而在白酒酿制过程中,不仅要研究酿酒微生物繁殖、发酵条件,且要研究各类反应的发生和进行程度的工艺参数,尤其反应温度和时间。中国酱香型、芝麻香型、兼香型的风格差异,主要是制曲及发酵的温度不同,时间的差异,而造成香味物质种类不同和含量高低,而形成了各自的风格特点。[参考文献][1]耐克.食品风味化学[M].中国轻工出版社[2]庄名扬.美拉德反应与酱香型白酒[J].酿酒科技1997(1):73-77[3]庄名扬.美拉德反应与中国白酒的香和味[J].酿酒科技2005(5)[4]赵东,等.顶空固相微萃取气相色谱质谱法测定大曲中香味成分[J].酿酒科技2006(5):19-22[5]赵东等.气相色谱-质谱法测定酒糟、白酒中的芳香族香味成分[J].四川酿酒2006(3):29-32[6]唐现洪,等.高温堆积发酵工艺在浓香型双沟大曲酒生产中的应用[J].酿酒科技2006(8):59-62表3大曲香味成分定性结果序号12345678910111213141516成分吡嗪三甲基吡嗪2-甲基吡嗪2,5-二甲基吡嗪2,3-二甲基吡嗪2-乙基-3-甲基吡嗪2,6-二乙基吡嗪2-乙基-3,5-二甲基吡嗪2,5-二甲基-3-戊基吡嗪2-戊基-3,6-二甲基吡嗪2-戊基-2,5-二甲基吡嗪2-乙基-3,5,6-三甲基吡嗪2-癸基-2,5-二甲基吡嗪2-异丙烯基吡嗪四甲基吡嗪2,6-二乙基吡嗪序号17181920212223242526272829303132成分2-异戊基-5,6-二甲基吡嗪2-己基-3,6-二甲基吡嗪2-乙基-5,6-二甲基吡嗪2-乙基-3,5-二甲基吡嗪2-乙烯基-6-甲基吡嗪2,6-二甲基吡嗪吡啶2-丙基吡啶2-乙基-5-甲基吡啶3-羟基吡啶2-乙基-2,5-二甲基吡嗪2-乙酰基吡咯2-丁基-3,5-二甲基吡嗪2-吡咯甲醛2-乙酰基-6-甲基吡嗪糠醛序号333435363738394041424344成分5-甲基糠醛糠醇2-庚基-3,5-二甲吡嗪2-戊基呋喃呋喃甲酸2-己基-3,5-二甲基吡嗪2,5-二氢3-甲基-2-呋喃酮3-羟基-2-甲基吡喃酮2-呱啶酮2-甲硫基苯并噻唑4-甲基愈创木酚4-乙烯基愈创木酚庄名扬:中国白酒香味物质形成机理及酿酒工艺的调控第二期2007MechanismofChineseLiquorAromaSubstanceFormationandRegulationofBrewingTechnologyZHUANGMing-yang(ChengduInstituteofBiology;ChineseAcademyofSciences,Chengdu610041,China)Abstract:themechanismofChineseliquoraromasubstanceformationiselucidated.Thearomasubstancesarederivedfromthebrewingmaterials,themicrobialmetabolismandsecondaryproducts,thebiologicalsynthesiscatalyzeddirectlyorindirectlybyvariousenzymes,andnon-enzymaticchemicalreactionandthermalhydrolyticreaction,etc.Thekeypointssuchasthechoiceofmaterialandtreatment,theKoji-makinginbrewingtechnology,distillation,andpilefermentation,etc.areputforwardaccordingtotheproposedmechanism.Keywords:Chineseliquoraromasubstance,brewingtechnology,modulation·113·