我国黄酒酿造科学研究

我国黄酒酿造科学研究

中国黄酒是“用小麦做的曲，用曲做的过程”，采用独特的糖转化和转化生产工艺。亚洲发酵食品技术的起源和代表，也是中国古代的知识结晶。我国黄酒以营养健康、风味独特的风格特点,一直深受我国和世界消费者的喜爱。虽然我国古人早已掌握黄酒酿造的独特技艺,但目前对我国黄酒酿造的科学认识却仅有近50年的历史。早期的微生物及酶学研究初步阐明了我国黄酒麦曲糖化,酵母发酵的基本原理。但由于我国黄酒酿造过程的复杂性,以及后期研发力量和研究投入的滞后,国内对我国黄酒酿造技术的研究一直处于较为原始的阶段。其造成的结果是我国黄酒生产目前仍然以传统手工酿造方式为主,基本上依靠长期的历史经验进行组织生产。沿用数百年的传统手工黄酒生产方式,如今已凸显出生产效率低下、产品质量不稳定的缺点,这成为制约我国黄酒工业发展的关键问题。与黄酒同为世界三大古酒的啤酒及葡萄酒借助现代科学技术的发展,早已完成了从传统手工操作到现代化工业生产的变革。现代科技发展成为葡萄酒、啤酒酿造工业迅速发展的最根本动力。目前,我国黄酒酿造工业正处于发展的历史转折时期。以机械化、科学化、规模化生产为代表的现代工业黄酒酿造体系是我国黄酒工业生产发展的必由之路。由于对我国黄酒这一独特酿造技艺科学认识的不足,黄酒酿造科学理论的不足成为目前困扰我国黄酒工业现代化的瓶颈。因此,加大对我国黄酒酿造技术的基础理论研究是提高我国黄酒酿造水平的唯一出路。以“高效”、“优质”和“安全”为研究导向,本研究室近年来逐步展开了对我国黄酒酿造科学的相关研究,以期对我国黄酒技术的发展做出一定的贡献。本文综述了近年来在黄酒酿造科学研究所取得的最新进展。1黄酒研究技术进展1.1不同地域是黄油酵母酿造特性差异的因素;黄酒酿造过程中,通过酵母的发酵作用将原料碳水化合物转化为乙醇和二氧化碳,同时生成部分黄酒风味物质。纯种黄酒酵母的分离与应用迈出了黄酒酿造从传统手工生产方式到现代工业化生产的第一步。黄酒酵母的品质直接影响着黄酒生产过程的安全、效率和品质。系统认识黄酒酵母的酿造性能是有效使用和针对性改良黄酒酵母的基础。本研究室对优良黄酒酵母的酿造性能展开了系统研究。通过对比黄酒酵母与其他酿酒酵母的发酵性能的差异,得出黄酒酵母之所以适合黄酒酿造的酿造特征。陈双等人在此基础上对我国黄酒工业生产菌株(S1,S2)的酿造性能指标进行了综合比较,总结了对黄酒酿造影响较大的指标,并以此为基础建立了中国黄酒酵母质量评价体系。S1,S2菌株是我国黄酒酿造工业普遍采用的生产菌株。通过研究发现,不同黄酒酵母的酿造特性具有明显的差异,S1酵母具有繁殖快、发酵快、风味好但环境耐受性较差的特点,S2酵母具有发酵力强及环境胁迫耐受性强的特点,但发酵速率和风味有所欠缺。比较这两株酵母工业生产工艺操作过程发现,酵母之间酿造性能的差异和工艺操作特点的差异具有极大的相关性。通过对黄酒酵母酿造特征的明晰,将有针对性的指导黄酒酿造工艺的快速改进使之契合生产菌株的最佳酿造环境,发挥生产菌株的最大生产效率。同时,也将有助于指导特定黄酒酿造工艺和产品风味特点的黄酒生产菌株的选用。本研究建立的黄酒酵母酿造性能评价体系也为优良黄酒酵母的选育提供了方法指导。陈双等人进一步对不同地域黄酒酵母的风味特征研究发现,不同黄酒酵母风味特征的差异对不同地域黄酒风格差异性的形式有重要的贡献(见表1)。酵母酿造性状对酿造过程的决定性影响使得优良酵母的选育成为酿酒技术研究的永恒热点之一。目前,仅葡萄酒行业所使用的不同酿造性能酵母菌株就多达500种,菌种的多样化为葡萄酒酿造提供极丰富的多样性。目前不同地域、不同葡萄品种以至于不同档次的葡萄酒生产均有与之对应的酵母菌种。而我国黄酒行业所使用的黄酒酵母菌株目前不超过5种,菌种的单一化对我国黄酒的风格质量也造成极大影响。优良黄酒酵母的选育成为我国黄酒酿造行业急需解决的难题。由于黄酒作为食品饮料的特殊性,使得以基因工程、代谢工程为代表的现代生物学的育种手段在黄酒酵母的选育中受到极大的限制。黄酒酵母的选育工作一直局限于传统的自然筛选方式,极大地制约了黄酒酵母育种的进度。开发安全高效的黄酒酵母育种新手段对黄酒酵母酿造性能的提升具有重要意义。为了解决传统诱变育种劳动强度大、效率低的缺点,本研究室借鉴国外酿酒用酵母选育的成功经验,开发出适合我国黄酒酵母优良菌种选育的新方法。酵母的诱变育种是食品行业普遍采用的育种方式之一,但诱变育种后期大量的筛选工作成为影响诱变育种效率的主要因素之一。对此,本研究室以选育高发酵性能黄酒酵母为目标,采用常规诱变结合CTZ抗性的高效筛选策略,以CTZ抗性为目标导向快速筛选得到发酵性能提升的黄酒酵母突变株。突变菌株相对于出发菌株起始发酵速率明显提高。通过工厂放大试验发现,在工业生产环境中突变菌株的优良性状得到保持。目前,我国黄酒工业所使用的黄酒酵母是经过千百年黄酒传统酿造过程逐步进化后筛选得到的。以达尔文进化论为基础的自然选择进化过程是物种性状逐步提高的根本动力。但纯种黄酒酵母的使用终止了黄酒酵母自然进化筛选过程。适应进化策略是以自然选择进化论为基础,在微生物的连续培养过程中通过人为施加环境胁迫对微生物的生长过程形成选择性压力,适应选择压力的突变株在环境胁迫培养体系中得以长期存活,而不适应环境的菌株将在培养过程中逐步被淘汰。通过长时间的培养,适应环境胁迫的优良突变株将逐步积累成为培养体系的优势微生物。适应进化策略能够通过设定不同的环境胁迫压力使微生物向不同的进化方向发展,实现优良性状的快速积累。这种非基因工程的技术手段非常适合食品发酵生产菌株的改良,目前已经成功应用于葡萄酒酵母及啤酒酵母优良菌株的选育。本研究室首先采用适应进化策略对黄酒酵母进行了实验室定向进化研究。以工业黄酒酵母为出发菌株,设定高浓发酵和乙醇胁迫为环境胁迫压力,通过连续的培养过程,最终驯化得到对黄酒酿造过程中各种环境的胁迫耐受能力明显提高的黄酒酵母新菌株。更多关于黄酒酵母的研究进展请参阅第七届国际酒文化学术研讨会论文集黄酒酵母研究进展综述。1.2本研究的内容黄酒作为一种愉悦性的非生活必需品,其风味特征对消费者的消费选择具有决定性的影响,同时也决定着黄酒产品最终的品质。对生产经营者来说,黄酒的风味品质与其经济效益也是密切相关的。黄酒中呈香、呈味物质往往是黄酒中的微量或极微量成分,因此,对黄酒风味的研究是一项极具挑战性的工作。我国黄酒风味研究起步于20世纪80年代,早期的研究主要侧重于黄酒的成分分析,很少涉及黄酒微量成分与黄酒风味特征相关性的研究,对黄酒独特风味特征形成的化学本质更是缺乏认识。黄酒组分研究的成果很少能够应用于指导黄酒风味特征的调控。目前我国黄酒产品风味的调节主要还是依靠传统经验进行,这在一定程度上造成了目前我国黄酒产品特色不突出,同质化严重的不利局面。因此,研究黄酒的风味特征,特别是黄酒的香气特征,明确黄酒风味物质的化学组成和分离鉴定方法,解析黄酒特征风味形成的机制,对丰富黄酒的酿造科学与理论,完善黄酒的质量评价体系,控制黄酒的风味和提高黄酒的质量具有重要的意义。本研究室在全国首先采用现代风味化学及感官品尝科学与技术对中国黄酒及酿造原料麦曲特征风味物质及其影响进行了较系统的研究。研究目的:(1)从风味化学的角度明晰我国黄酒的独特风味特征,进而实现以现代风味评价体系指导我国黄酒的生产勾兑过程;(2)通过对黄酒重要风味物质生成调控机理的研究,以风味为导向指导我国黄酒生产工艺的改进,促进我国黄酒品质的提升。1.2.1不同品种黄油感官特征的研究黄酒风味特征研究首先面临的问题是如何对黄酒感官特征进行科学的描述。科学的感官表述是风味研究的基础。黄酒的风味感官描述虽然早就在企业中展开,但始终没有形成一套科学、系统、完整的黄酒感官描述语言体系。本研究室与黄酒技术委员会首先开展了中国黄酒风味感官特征的科学研究,以ISO11035感官描述语选择方法的国际标准为基础,采用多元统计方法对中国黄酒典型样品的专家感官描述进行分析总结,形成我国首套黄酒感官描述语言体系(中国黄酒风味轮),进而总结得出黄酒风味轮廓的主要描述语。这些描述语经由国家黄酒评委和消费者应用于黄酒描述分析,表明其可以表征中国黄酒主要的基本风味感官特征,为中国黄酒感官特性描述性分析研究奠定了重要基础。1.2.2不同香气来源的缺乏研究黄酒香气主要由三部分来源组成:原料香(由大米,麦曲带入的香气物质);发酵香(由酵母及其他微生物代谢生成);陈酿香(由原酒在长期贮存过程中化学反应生成)。不同的香气来源决定了黄酒香气的复杂性。早期黄酒香气的研究主要侧重于黄酒中挥发性组分的分析测定,对挥发性物质的呈香特征缺乏系统研究。本研究室首先引入现代风味化学的研究理论体系对中国黄酒特征香气及黄酒酿造原料对黄酒特征香气的影响进行了系统研究。1.2.2.本方法的平台体系现代风味化学的基本研究思想是以高精度仪器分析为基础,结合人体自身的感官向导作用,以人机协作的方式研究目标样品中的风味化学组分。通过仪器分析其化学特征,通过人的感官分析其呈香、呈味特征,综合分析人机数据,进而实现对样品风味特征的深入认识。本研究室以现代风味化学的研究思想为指导,研究建立了一套完整的仪器分析与感官分析相结合的黄酒风味分析技术平台体系。以液液萃取技术(LLE),超声辅助萃取技术(UEA),溶剂辅助香气挥发技术(SAFE),固相微萃取技术(SPME),搅拌棒吸附萃取技术(SBSE),固相萃取技术(SPE)结合气相色谱-闻香技术(GC-O),气相色谱-质谱连用技术(GC-MS)建立了中国黄酒液态样品和固态样品定性与定量分析的方法体系。这些分析检测方法结合现代风味感官研究的方法体系,为中国黄酒风味分析提供了强大的武器。1.2.2.黄油中部分功能化合物的分离和鉴定以黄酒风味研究平台为基础,本研究室在国内外首先展开了黄酒香气特征的研究。采用液液萃取后香气分级技术结合GC-O、GC-MS等人机结合的研究方式鉴定出63种对黄酒香气有贡献的呈香物质,其中重要的香气物质有异戊醇、苯乙醇、丁酸、3-甲基丁酸、苯酚、4-乙烯基愈创木酚、糠醛及γ-壬内酯具有较高的香气强度,它对黄酒香气贡献较大。进而通过黄酒中香气物质定量分析结合香气活力值的计算确定了辛酸乙酯、丁酸乙酯、苯乙醛、己酸乙酯、3-甲硫基-1-丙醇、苯乙醇及γ-壬内酯具有较高的香气活力值。在此基础上,陈双等人采用SPE萃取技术结合正相色谱分离技术对黄酒香气物质进行分级后得到16种不同的黄酒香气组分,进而通过GC-O及GC-MS技术分析鉴定出黄酒香气物质105种,除去常规的醇、酸、酯类香气物质,确定了酚类物质,吡嗪类物质及内酯类物质对黄酒香气的重要贡献。这是首次在国际上报道了中国黄酒的重要香气特征及风味化合物。在分析鉴定黄酒香气物质的同时,我们更注重研究香气物质与黄酒酿造的关系,以风味评价为导向建立黄酒生产控制和质量评价的新指标体系(见表2)。1.2.2.黄油麦曲呈香特性研究麦曲是中国黄酒独特酿造原料,具有“糖化、发酵、生香”的功能,对黄酒酿造起着举足轻重的作用。但是受到研究理念和技术的限制,目前对于非常重要的麦曲“生香功能”的研究极少,基本上只停留在推测和分析上。对此,本研究室首先展开了对黄酒麦曲香气特征及其对黄酒香气影响的系统研究(见表3)。研究室通过采用气相色谱-嗅觉法(GC-O)技术、气相色谱-质谱联用(GC-MS)技术从代表性黄酒麦曲中鉴定出香气物质43种,确定了1-辛烯-3-酮、1-辛烯-3-醇、4-乙烯基愈创木酚,苯乙醛、己醛、己酸乙酯、辛酸乙酯、愈创木酚、香兰素及反-1,10-二甲基-反-9-癸醇对麦曲香气的重要贡献作用。同时通过麦曲香气重构和缺失试验验证了这些香气化合物在麦曲呈香特征中的重要作用。在分析麦曲香气特征的同时,研究者还监控分析了麦曲制曲过程中各种香气物质的变化规律,得出麦曲中重要香气物质的生成特点。从香气的角度提出了评价麦曲质量及成熟情况的新思想,相关研究已率先在国际上发表。1.2.2.不同酿酒原料对-苯乙醇生成的调控研究黄酒风味特征的物质基础,其目的是为了更好地服务于黄酒的生产,品质的提升。β-苯乙醇是黄酒中重要的香气物质之一,也是我国黄酒质量的控制指标之一。β-苯乙醇一直作为稻米黄酒的特征性组分被用于区别稻米酿造黄酒和非稻米酿造黄酒。陈双等人对我国黄酒中β-苯乙醇的生成代谢进行了系统研究。结果显示,黄酒酵母主要通过Ehrlich途径转化L-苯丙氨酸生成β-苯乙醇。黄酒酿造过程中β-苯乙醇的生成受到酵母菌株和酿造原料的双重影响。不同地域的黄酒酵母菌株生成β-苯乙醇的能力存在明显的差异(浙江地区黄酒酵母β-苯乙醇生成能力要高于上海地区黄酒酵母)。不同酿酒原料对β-苯乙醇的生成也有较大影响,高粱、小麦等非稻米原料发酵生成的β-苯乙醇含量要高于稻米原料,β-苯乙醇产量与原料中L-苯丙氨酸含量呈正相关性。这一结果说明β-苯乙醇并不能作为稻米黄酒的特征性指标,β-苯乙醇普遍存在于不同酿酒原料酿造的黄酒中,但其含量存在较大的波动。麦曲中较高含量的L-苯丙氨酸以及酿造过程中高麦曲比例的使用是传统黄酒中高β-苯乙醇含量的重要因素。该研究成果为我国黄酒酿造过程中调控β-苯乙醇的生成提供了理论基础。前期研究发现,4-乙烯基愈创木酚是黄酒中一种重要的香气物质,同时也是黄酒麦曲中的重要香气物质。为了调节黄酒酿造过程中4-乙烯基愈创木酚的生成,研究者对我国黄酒酿造过程中4-乙烯基愈创木酚的产生机制进行了深入研究。结果发现,黄酒中4-乙烯基愈创木酚的含量与黄酒麦曲的使用直接相关,麦曲酿造黄酒中4-乙烯基愈创木酚的含量要远高于纯酶酿造黄酒。进一步研究发现,麦曲中的阿魏酸是4-乙烯基愈创木酚重要的前体物质。麦曲原料中的阿魏酸主要以结合态的形式存在于植物细胞壁中,通过酶的作用植物细胞壁中结合态的阿魏酸转化为游离态,再通过酶或热的作用阿魏酸转化为4-乙烯基愈创木酚。莫新良等人研究发现,麦曲中的阿魏酸酯酶在阿魏酸的释放和4-乙烯基愈创木酚的生成过程中扮演着重要的角色。进一步研究从黄酒麦曲中分离得到具有较高阿魏酸酯酶活性的微生物菌株GY7。酿酒试验发现添加有阿魏酸酯酶产生菌株的黄酒中的4-乙烯基愈创木酚的含量明显高于不添加的对照组。通过黄酒中的4-乙烯基愈创木酚生成途径的明晰进一步确定了麦曲在黄酒风味特征中的重要作用,同时也为下一步在黄酒酿造过程中调控4-乙烯基愈创木酚的生成奠定了基础。2黄油中ec含量的控制策略随着社会的发展及人民生活水平的提高,社会对食品安全的关注度日益提高,对黄酒的安全性要求也在不断提高。黄酒中影响安全性的因素主要分为两类:第一类是外源性的危害成分,主要为原料中的农药残留,以及生产包装过程中引入的外源性杂质。这类物质危害往往比较直接,国家也有相关的规范进行限制。而企业通过严格的规章制度和完善的操作可以基本杜绝此类物质对黄酒的危害;第二类是黄酒酿造,陈酿过程中微生物自然代谢或酒体自身化学反应形成的潜在危害性物质,主要代表有氨基甲酸乙酯(EC)等。这类物质往往伴随黄酒生产过程而自然生成,对其含量控制往往存在极大的挑战。随着消费者对黄酒中EC关注度的逐步提高,解决EC问题的需求也愈加迫切。对此,本研究室率先展开了对黄酒中EC控制策略的研究。目前已经形成了EC的高精度检测技术、生产源头控制技术和产品包装前控制技术等一套全面的黄酒中EC含量的控制策略。针对黄酒生产过程EC前体物质尿素的生成,赵光螯等研究者与古越龙山黄酒集团早在1988年已在全国率先开展了中国黄酒EC检测和控制研究。多年来,通过筛选得到黄酒适用肠杆菌R-SYB082尿素降解酶,形成从源头上控制中国黄酒中EC的有效措施,进一步通过对发酵过程的优化及尿酶酶学性质的研究,提高了酶的产率和应用。该酶在黄酒中的尿素去除率(66.47%)高于广泛使用的商业脲酶(去除58.79%)。该酶对黄酒中底物尿素的有效降解,从源头上实现了对EC的控制。20多年来,针对目前我国大量贮存黄酒存在的EC安全性潜在风险,本研究室基于生物酶固定化技术和定向去除技术相结合的原理,提出了黄酒原酒中EC含量控制策略。通过对黄酒中EC降解微生物的筛选,微生物产EC降解酶酶学性质的研究,以及EC降解酶固定化研究,建立了黄酒中EC选择性去除的生物学新方法(即将发表)。同时通过设计,筛选特异性吸附材料,实现黄酒EC的定向降解去除物理学新方法。这种方法是以固定化功能材料为基础建立的物理学手段去除黄酒中EC含量的方法学体系,它能够实现选择性的去除黄酒中EC的同时保持酒体的原酒风味。这种配合新型脲酶和功能性固定化EC降解酶的终端定向减除技术,可以实现中国黄酒中尿素含量降至10mg/L以内,黄酒中EC含量降至50μg/L以下,这远低于日本清酒的控制标准。综合前述研究成果,本研究室首次建立了从底物到产物对黄酒中EC含量的集成控制策略。为中国黄酒中EC含量的降低,提供了实用、便捷的新途径。也为其他饮料酒中EC的控制,提供了一条新思路。该成果已于2012年5