论我国传统发酵工艺的历史演变

论我国传统发酵工艺的历史演变

在中国，糖转化、酒精转化和乙酸转化可分为三种生物化学工程。这三个项目可以是液体和固体。我国传统工艺中这三个工程有全部是液态的,如永春红曲醋、厦门玫瑰醋等;也有全部是固态的,如四川保宁醋、四川麸醋,目前城镇醋厂广泛采用的全固态发酵;还有历史最久的液态的酶解糖化、酒精发酵和固态醋酸发酵的山西老陈醋和镇江香醋。我国传统的食醋发酵工艺,不管是液态或是固态发酵,除醋酸发酵外,都属于复式发酵,即所谓糖化及酒精发酵同时进行的工艺,有人称之为双边发酵。严格地讲,从酿造工艺学的角度来讲,这一工艺主要的生物化学和化学反应都在均衡地进行,如酿酒工艺的液化糖化、酒化、酯化等工程基本上都在同时进行,决不限于糖化和酒精发酵同时进行而已。这种复式发酵方式应该说是由于曲法酿造所决定。与复式发酵对应的是单式发酵,即糖化和酒精发酵明显地分开进行。甚至液化、糖化、酒精发酵均分别进行,这种方式为西方国家所采用。这也是东西方酿造技术上的根本区别所在。现在就以镇江香醋的酿造法为例说明复式发酵的主要生化反应过程,进一步阐明这种以根霉作酒母,继而以米曲霉为主的复式发酵工艺的优越性。1糖化和酒精发酵镇江香醋的传统生产工艺中蕴含着我国酿造酒复式发酵的精髓所在,其特点在于:首先,使用酒药培养其中的酵母以制得酒母外,还扩大培养其中的根霉,以增强其糖化和其它功能;其次,由于酒药的使用以及巧妙的培养方法,取得“以酸抑酸”抑制杂菌,促进酵母繁殖的效果,安全地获得优质酒母,为以后的糖化、酒精发酵打下良好的基础;再者,使用米曲霉麦曲,不仅构成根霉之外的强大糖化能力,还发挥其蛋白水解酶的作用,生成风味物质和风味物质前体,构成了酒药和米曲霉的混合发酵,由于以上特点,在开放条件下安全地进行糖化和酒精发酵平行的复式发酵,生产出高浓度的风味酒醪,为以后醋酸发酵打下了坚实基础,最终生产出风味醇厚的产品。下面先将镇江香醋的传统酒醪生产工艺流程介绍如图1,然后再将发酵方面的几个特点,加以详细论述。2酒药中根霉及酵母菌菌群的形成所具有的条件指导传统工艺生产的镇江香醋所用曲种有酒药及麦曲两种。酒药是用大米粉制成的一种小曲,是以根霉及酵母为主体的曲种。其中根霉不仅在固体培养基上能正常繁殖,在液体培养基中也能很好地繁殖,因此非常适合用于液体曲。并且它还有产生以乳酸为主之外的延胡索酸、琥珀酸等有机酸的性能。至于酒药中的酵母,是用辣蓼作为酵母生长剂培育出来的多种酵母混合体,具有一定的发酵能力。麦曲是用生小麦制成的一种米曲霉曲,最初是用草包曲,即用稻草包扎生小麦制备的米曲霉散曲(图2),后来改成方形砖曲,无论贮存或运输都较草包曲方便。酒药和麦曲本身就构成了具有复杂酶系的多菌种,在发酵时形成了多菌种混合发酵,使酒醪成分复杂,取得风味醇厚的效果。酒药是通过“搭窝”形式制备酒母的。将蒸熟的糯米饭用冷水冷却,并淋去残余水,分批倒入缸中,分批拌入酒药粉,混拌均匀,搭成V字形圆窝(图3),并用竹丝帚将窝面轻轻敲打,以不致塌落为度,使窝仍保持疏松通气状态,然后上面再撒些酒药粉,其目的是使其在窝的表面上生长,形成一层菌丛,可以防止杂菌的滋长,最终成为菌丛厚盖,与外界隔离,不但成为防止杂菌入侵的屏障,而且使发酵醪成为厌氧状态,抑制好气性产酸菌的生长,防止醋酸菌早期增殖。低温乳酸菌是厌氧性菌,在十一月低温条件下却可以增殖、产酸,使pH下降,促进酵母菌的增殖。由于酵母是通性嫌气性菌,不会受少氧而影响其增殖、发酵,“搭窝”形式构成了安全发酵的重要条件之一。搭窝后加盖稻草编的缸盖,缸外用草席围住,保温,约经过36～48h,饭粒上就长满根霉的白色菌丝,相互连成一体,窝内就有糖化液出现,并发出嘶嘶响声,用手指压窝壁会有气泡、酒香外溢,这些现象说明:酒药中的根霉及酵母菌在有氧条件下,双双迅速增殖,它们的密度大大增加,成为绝对优势的菌群,并且以微生物的排它性,共同抑制杂菌的生长。另外,根霉具有生成相当量有机酸的性能,在繁殖过程中所生成的有机酸和酒药中的辣蓼不但促进了酵母的增殖,而且降低了发酵醪的pH,也起到了抑制杂菌的作用,其中包括好气性乳酸菌,这些乳酸菌是造成发酵醪变酸的主要元凶。根霉所产生的有机酸以乳酸为主,其杀菌力较强。pH的下降除根霉所生成的有机酸外,在酒药中还有部分产酸菌所产生的酸。在搭窝的少氧条件下,这些产酸菌,尤其是在低温条件下,其中的厌氧乳酸菌会首先繁殖起来,所产乳酸等对好气性乳酸菌会起到抑制作用,结合根霉所产生的有机酸,酸度可达到0.4%以上,这就是以酸抑酸的作用,构成了安全生产,提高酒母纯度的重要因素,同时增加了食醋中不挥发酸含量,有助于提高食醋的风味。根霉是非常适合于液体培养的,用其来制备酒母的优越性就在于不仅利用其糖化酶,而在于根霉在液态下继续迅速繁殖。其用量虽小,却能糖化大量淀粉,正是显示其繁殖能力之强,这点已由现代根霉适合于液体曲的研究所证明。汉代曹操上奏汉献帝的“九酝春酒法”就曾仅投小曲三十斤而能糖化大米十石,由此也可窥知古人已通过实践洞察了小曲中根霉的增殖性能而加以应用。搭窝中的根霉在增殖过程中所分泌的液化酶和糖化酶将糯米淀粉液化、糖化,不断地增加着发酵糖的浓度,为酵母的增殖提供了能源,同时不断地积累着酒精发酵所需要的基质,使糖化及酒精发酵均衡地进行,陆续增长的酒精更有效地抑制了杂菌的生长,可以说在搭窝发酵阶段的4～5天内,一切步骤都保证了酵母增殖的最佳环境,酵母数可达到108个/ml以上,酒精浓度达到4%～5%,含糖量达到30%～35%。总括以上所述,不难看出酒药中的根霉所具增殖性能、产酸性能都给酵母创造出一个良好的化学、生物环境,成为在开放条件下制备酒母的最佳菌株,也是我国酿酒工艺所用一株非凡的菌株,和米曲霉共同与我国人民饮食生活结下不解之缘,也可以说是世界酿造技术宝库中的一朵灿烂奇葩。3酒精发酵的模式分析一般在拌酒药搭窝4天后,由于发酵醪的浓度很高,发热量大,随着发酵的旺盛进行,整粒米饭分解后,迅速浮在发酵醪表面,最后形成醪盖,有碍热量的散发,同时醪的流动性很差,散热非常困难,因此加水稀释醪液,避免因糖分过高而影响酒精发酵的进行。同时也降低了温度。为了酒精发酵的持续进行,加水的同时拌入麦曲,使发酵醪均匀地混合,输送了部分氧,促进酵母的增殖,麦曲也为酵母的增殖及酒精发酵所需要的糖分提供了保证,如此使糖化及酒精发酵园滑地进行,只要有足够的酵母和水解酶活力,就可以使酒精发酵顺利地进行。这就是常说的后发酵。根据日本清酒的研究,将大米蒸成米饭进行浓醪发酵,其总糖可达40%,在这一高浓度醪中的酒精发酵,是不可能顺利进行的,必然产生浓醪对酵母的抑制作用,在复式发酵中,由于糖化和酒精发酵同时进行,生成的糖分逐渐地变成酒精,二者同步进行,避免了浓醪对酵母的抑制现象的出现,这是复式发酵的优越性。图4是日本清酒醪所进行的复式发酵模式图。如图所示醪液中α-淀粉酶酶活达到200单位/克大米,酸性蛋白酶酶活1000单位/克大米,糖化酶酶活50单位/克大米,如果达到这一标准,发酵就可以因糖化酶的作用力而生成对应的葡萄糖,当然酒精发酵就会因葡萄糖生成的量而支配酒精发酵的进行。由于所加的曲是米曲霉麦曲,其作用不同于根霉曲。根霉主要是糖化作用的曲,可以说是糖化剂,其中所含蛋白酶主要是酸性蛋白酶,而且酶的活性也不强。米曲霉酶系中即具有较强的液化酶和相当强的糖化酶,同时还有蛋白水解酶系,这样不但持续地进行糖化,提供给酵母进行酒精发酵的糖分外,还利用其蛋白水解酶系中的蛋白酶,将蛋白质水解至肽,酶系中的氨基肽酶和羧基肽酶又将肽分解成氨基酸,构成了食醋的呈味成分,并且醋味柔和而园滑化,氨基酸缓冲食醋的酸味作用,是随氨基酸含量的增多而增大。我国名牌产品食醋氨基酸含量之高,其缓冲作用之大也是世界之最。镇江香醋的pH为3.73,总酸为6.82%,但无刺激感,酸味很柔和,这主要是氨基酸的缓冲作用所致。氨基酸的含量高不但风味好,所表现出缓冲作用之大,与米曲霉的蛋白水解酶系较全、酶活较强是分不开的。表1是传统工艺镇江香醋中游离氨基酸的组成,这些数据较日本任何醋都高。这里值得注意的是采用细菌型糖化酶制剂生产食醋工艺的单位已有不少,只用少量麦曲或不用曲,那么就生成些肽或极少氨基酸,这样就显得产品的酸味尖酸,很难生产出风味好的醋,这是值得重视的问题。大米中的蛋白质是分布在胚乳中淀粉粒之间,成蛋白小体(proteinbody)而存在,其直径约为150A。‚150A。‚分子量约200万。这种结构在糖化酶作用于米粒前,先要依靠酸性蛋白酶将其中的蛋白质加以水解,才能使α-淀粉酶充分发挥作用,促进糖化作用的进行。如果酸性蛋白酶不足,就会影响蒸米的糖化,产生大量酒糟。米曲霉曲的投入就可以避免了酸性蛋白酶的不足,促进淀粉糖化及酒精发酵平衡地进行。这些都是复式发酵工艺中根霉和米曲霉混合发酵的优越性。所以我们说利用根霉制备酒母,并充分发挥根霉的多种优势,再加适量的米曲霉曲进行混合发酵,发挥米曲霉曲的优势,充分提供了风味物质的前体和含氮物质,所以所制得酒的风味较单独用根霉的风味要好,同时又发挥了米曲霉为主体的糖化及酒精发酵作用,这是我国特有的根霉和米曲霉混合发酵的制酒工艺。4固体发酵的发酵通过以上所述,我们清楚地看到搭窝制酒母在食醋生产中的重要作用,现代酿酒学也证明:为了获得风味好的酿造酒,必须先生产出好的酒母。那么就让我们看看镇江香醋的酒母的特点——固态发酵。搭窝酒母的内涵不同于纯种酵母扩大培养。纯种酵母的扩大培养是属于液态发酵。从界面上讲,是单一液相静止培养,酵母是属于好气性菌,其增殖需要一定的空气,振荡培养酵母数高于静止培养,就是由于增加了气相,促进了酵母增殖的缘故。而搭窝酒母属于固态发酵,有固态和液态两相的嫌气性发酵外,还有固相与气相两界面的好气性发酵,它极适合于产酯酵母类的增殖和发酵,产生酯类和酸类,丰富了酒的风味。产酯酵母为氧化型菌,如果在敞口容器内培养,液面上形成液相和气相的界面,空气供给充分,在液面上生长成较厚的菌膜,但发酵产物却不高;如果在密闭容器内进行培养发酵,由于是厌氧状态,所产酯类、酸类及酒精都很低,如果定期通气发酵能力最高,表2证明了这点。无数试验和实践都证明:在固态发酵醅中,通气适当,可以充分发挥其性能,这与固态培养的空气供给量有关。传统镇江香醋的固态发酵符合产酯酵母类的增殖和发酵性能。另外,产酯酵母特别适合于添加较多麦麸的固态培养,如表2所示液态培养的效果不如固态培养,固态培养的总酸、总酯为液态培养的8～9倍。因此固态培养酒母除含有一般酒精酵母外,还含有生成酯类香气成分的酵母类,构成固态发酵酒醅风味物质重要组成之一。从产品风味方面讲,西方的纯种酵母培养代替不了传统酒母。至于镇江香醋的醋酸发酵是传统的固态发酵,发酵完成的酒醪以7%酒精浓度加入以麦麸为主的填料中,成为含有稀酒精溶液及多种酶(糖化酶、蛋白水解酶等水解酶)液的疏松体态醅状物。接种醋酸发酵醅后以醋酸菌为主的菌类居住在麦麸(固相)上、稀酒精形成液相界面,酒精溶液、酶液以及溶性代谢产物沿着填料构成了薄层流动体,充分与空气(气相)接触,通过醋酸杆菌的乙醇脱氢酶将乙醇氧化成醋酸;葡萄糖酸杆菌则将发酵糖中的葡萄糖氧化成葡萄糖酸。各种酶的酶液与基质物质接触继续生成各自的代谢产物。在醋酸发酵初期,醋酸的生成不会太快,但是这些醋酸对喜酸性的产酯酵母的产酯应有一定的促进作用。固态发酵产物风味较好的原因,除上述界面的因素外,还有由于固态发酵醅的含水量小,所产生风味物质或其前体的浓度较液态的高,尤其是固态醋酸发酵的温度都较高,这些都会促进非酶化学反应旺盛地进行,生成许多风味物质;另外,固态醋酸发酵醅使用大量麦麸,其中五碳糖不但与褐变有关,还生成一些香气成分。这也是我国酿醋工艺中采用固态醋酸发酵的原因所在。众所周知液态发酵白酒始终未能成为高档白酒,主要原因之一就是未采用固态发酵所致。深层发酵食醋如果没有用传统固态发酵醋醅加以配兑淋醋,绝不会被消费者所接受,因此也可窥知固态食醋发酵的媚力。诸多实践均证明了固态发酵在风味上表现出它的优越性。从酒药中微生物的繁殖开始,经过麦曲、米曲霉及酵母的继续增殖,产生了大量以根霉、米曲霉为主的霉菌和酵母;进入固态醋酸发酵,产生了以醋酸菌为主体的产酸菌等细菌,这时的pH逐渐下降,构成了酸性环境,发酵温度逐渐上升至35℃以上,糖分最终已很少,形成了缺少能源的状态,这些霉菌及酵母已进入衰亡阶段,于是产生菌体自溶现象,菌体内的核酸、蛋白质、糖分就被其本身的胞内酶所分解,溶出体外,核酸最终变成