“粮为酒之肉,曲为酒之骨,水为酒之血”。白酒酿造过程中,水发挥着不可替代的作用,几乎渗透到白酒酿造的各个环节,如制曲、原料润湿、窖池发酵、白酒蒸馏冷却、白酒后续勾调、包装等。白酒酿造过程中需要大量的水,但随之而来也产生着大量的废水,其高含量的化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)一直是酿造废水高效处理的难题[1]。从白酒废水产量角度来说,大约每生产1 t酒,就会产生15 t废水[2]。目前白酒行业产生的酿造废水主要分为五大类,包括清洗设备废水、蒸馏冷却水、蒸馏底锅水、蒸馏尾水以及发酵过程中的产生的黄水。清洗废水是白酒酿造过程中清洗设备或工具产生的废水,含有从设备上清洗下来的污泥、粉尘、残渣等;蒸馏冷却水是酒醅蒸馏时冷却蒸汽所用的量水,含有冷凝蒸汽过程中吸收的大量热量[3-4];蒸馏底锅水是原料蒸煮及糟醅蒸馏环节产生的酿酒废水,除含有残糟、残淀外,还含有丰富的乙酸、乙酸乙酯、乳酸乙酯、正丙醇等风味成分[2];酿酒尾水是蒸馏摘取尾酒后继续蒸粮或排酸产生蒸汽经冷凝后形成的冷却水,主要含有酿酒原料或糟醅中的代谢产生的有机酸、醇、酯等物质[5];黄水是酒醅在固态发酵过程中,酒醅中的自由水、营养物质与微生物产生的代谢产物共同形成的一种棕黄色、流体状的液体物质,主要位于窖池底部,其含有较多未发酵利用的淀粉、还原糖、乙醇、有机酸等物质[6]。其中清洗设备废水和蒸馏冷却水为低浓度有机废水,经过滤、降温等处理后可直进行排放或重复利用;蒸馏底锅水、蒸馏尾水以及发酵黄水为高浓度有机废水,具有高酸、高营养的特点,若未经处理直接排入环境,不仅会改变土壤、水质的理化性质,造成地球表面的土壤、水体、动植物等污染,还会导致严重的资源浪费[7-8]。
国家一直高度重视资源保护和生态环境保护。针对白酒酿造行业耗水、排污较大的问题,国家出台了环境保护行业标准HJ/T 402—2007《清洁生产标准白酒制造业》、国标GB 27631—2011《发酵酒精和白酒工业水污染物排放标准》等标准来控制污染、节能减排[9]。而如何高效回收利用酿造废水资源,减少酿造废水对环境的污染,除了改进工艺达到减少酿造废水外,针对不同酿造废水特性探索回收利用酿造废水中的有效资源也是目前白酒行业的研究重点。本文结合目前浓香型白酒行业现状研究进展,分别对酿造过程中的产生蒸馏冷却水、蒸馏底锅水、蒸馏尾水以及发酵副产物黄水的综合利用进行分析与总结,以期为浓香型白酒酿造的可持续发展提供一定的理论依据。
在白酒酿造过程中,蒸馏冷却水占白酒酿造用水量的50%,直接排入环境会造成严重的资源浪费,同时冷却水在冷凝蒸汽时吸收大量蒸汽热量使其转为高温水,直接排入环境还会造成高温污染,若能回收利用或降低消耗,节水产生的效益将非常可观[10]。白酒行业也一直致力于冷凝水的回收利用,传统冷却水的回收利用方法包括用冷却水泡粮、焖粮、生产锅炉蒸汽等,利用率较低;相对于传统冷却水的处理方法,目前白酒行业冷却水回收利用研究趋向于如何多样化且高效循环利用冷却水。张怀山等[11]以软水作为冷酒水,冷酒器出来的高温软水一部分用于锅炉产蒸汽,另一部分梯级加热生产用水,实现节约用能。加热生产用水后的软水经过两次降温进入冷酒器进行再次冷酒,实现冷酒水循环利用;李锦松等[12]将热水型溴化锂冷水机组与封闭式凉水塔相结合,采用中央控制系统智能控制,以软水作为冷却水,利用冷却水自身热量制取冷量,并采用多级降温方法对高温冷却水进行降温,实现冷却水的闭式循环。
目前,白酒酿酒冷却水回收利用已取得较大成就,但由于其循环利用设备的高成本以及维护等问题,一些企业对于蒸馏冷凝水的处理还是多为直接排放,因此对于白酒冷凝设备的智能化与高效化还需进一步深入研究。
白酒底锅水是在糟醅蒸馏取酒或蒸煮粮食时,水蒸气冷凝并溶解糟醅或粮食中可溶物后回流到甑桶底部的液体,化学需氧量(COD)可达10 000 mg/L以上[13]。其污染来源包括在蒸馏过程中漏入锅底的酒醅、加入底锅复蒸的酒尾、黄水以及回流的高沸点有机成分等[7]。目前,底锅水主要作为生产污水处理,其是酿酒废水污染的主要来源,行业关于底锅水的研究也多集中于如何高效降低其化学需氧量(COD),以达到排放标准。高宇宸[2]用铁铝共聚物絮凝剂(iron aluminum copolymer flocculant,CPAFC)联合聚丙烯酰胺(polyacrylamide,PAM)助凝剂对白酒酒厂底锅水进行絮凝处理,后用Fenton试剂法处理底锅水经絮凝处理后的上清液,底锅水的浊度与CODCr(以重铬酸钾为氧化剂测得的化学需氧量)均得到较大程度的去除。方骥等[14]将底锅水进行厌氧反应处理通过此厌氧反应器处理后的底锅水COD去除率均在85%以上。
但底锅水中含有大量的香味物质与营养物质,直接作为污水处理会造成资源浪费。因此,部分学者以底锅水为原料,通过添加微生物,制备菌体蛋白饲料、酯化液或以底锅水为原料制备曲药等;另有学者通过萃取等方式对其中的风味物质进行提取。张伟建等[15]采用超声波辅助乙醇提取苦荞酒酒糟及底锅水中的总黄酮物质,并对提取工艺进行优化。邓汉森等[16-17]用底锅水培养酵母菌,在降解底锅水COD、生化需氧量(biochemical oxygen demand,BOD)的同时获得菌体蛋白,在最佳培养条件下,底锅水COD的去除率为77.33%,BOD的去除率为72.19%,酵母菌菌体蛋白得率为6.5 g/100 mL。宋军等[18]将底锅水进行分段蒸馏提取,把得到不同香味物质含量的蒸馏液用作加浆水,不仅避免了资源浪费,还使白酒中的香味物质更丰富协调,进一步提高了白酒的品质。
目前,已有较多关于酿造底锅水的利用研究,但多集中于底锅水有机质的降低和有效成分的提取,其中对于底锅水中有效成分的提取,因其提取成本与设备等的要求,还多处于实验室阶段。对于底锅水的回收利用方法研究还需更加深入与多样化,以期找到最佳的底锅水回收利用方法。
黄水是白酒发酵过程中产生的副产物,一般情况下,每生产1 000 kg大曲酒,大约产生黄水300~400 kg[19]。黄水中含有大量残淀、色素、单宁、单糖、多糖、香味物质等多种可再利用资源[20-21]。目前,浓香型白酒发酵黄水副产物的回收利用方法主要有以下几种。
1.3.1 黄水蒸馏取酒
蒸馏取酒是目前行业回收利用黄水最常见的处理方法,发酵正常窖池产生的黄水酒精度约为4%vol~5%vol左右[22]。黄水蒸馏取酒的方法多为直接蒸馏和回底锅串蒸酒醅两种方式。直接蒸馏回收的白酒经储存后,一般作为调味酒使用;黄水回底锅串蒸糟醅,黄水中的酯、醇、酸等香味物质同蒸汽一起进入酒中,丰富基酒风味。但由于黄水悬黏性高,同时黄水中的残淀经高温蒸煮后糊化,黄水黏稠度加强,在蒸馏取酒过程中很容易造成糊锅现象出现,进一步对蒸馏设备造成损坏。同时蒸馏黄水剩下的底锅水含有大量的有机质,需进一步处理后才能进行排放。
1.3.2 黄水制备酯化液
酯化液是利用有机酸和醇在生物酶的作用下生成的酯类物质,其应用于传统白酒生产能大幅度提高浓香型白酒优质品率。黄水中含有丰富的营养物质和有机酸、醇、酯等风味物质,尤其是乳酸、乙酸、己酸、丁酸含量最丰富,是生产酯化液的最佳材料[23]。刘丹等[24-25]利用高产酯化酶的红曲霉酯化黄水制备功能性酯化液,经优化后的工艺条件温和、反应周期短且酯含量提升明显,易于放大和工业化生产,且制备酯化液具有很强的专一性和选择性,对黄水资源再生利用具有重大意义。杨泉等[26]以黄水为原料制作酯化液,将酯化液进行萃取后加入酒中,可使酒体变得相对柔和、协调,整体质量提高。唐丽云等[27]以曲药为酯化酶,应用黄水、酒尾、尾水等酿酒副产物生产酯化液,产出的酯化液应用于白酒生产中可提高优质酒的比率。陈雪玲等[28]以四大酯为评价指标,筛选出7株可显著提高黄水己酸乙酯的酵母菌,其中一株酵母与对照差异极显著,并且能降低乳酸乙酯,使酯化液四大酯量比关系更加协调。
1.3.3 黄水养护窖池
黄水是浓香型白酒发酵过程中的重要传导介质,通过黄水,酒醅与窖泥之间不断进行微生物和物质、能量的交换。黄水中不仅含有大量在窖内特定环境下长期驯化的有益微生物,而且赋予这些有益微生物良好的生长繁殖环境[29-30]。当黄水用于窖泥护养时,黄水中的有益微生物接种于窖泥中,同时黄水中未被利用的大、小分子营养物随黄水进入到窖泥内部,在保证窖池湿度的情况下为窖泥内部的微生物提供营养物质,供其生长繁殖。因此,用黄水护养窖泥可以促进新窖泥的老熟,提高窖泥的质量。郭莹[31]将从窖泥中筛选出的多种己酸菌、丁酸菌及产酯酵母制成己酸菌液,然后把己酸菌液与曲粉、黄水、酒头、酒尾等混合制备窖泥养护液,最后应用于模拟白酒酿造,使得窖泥的感官和理化指标均得到提升。赵巧珍等[32]把黄水配制成黄水酯化液,并产原酒质量不太理想的窖池进行应用测试,结果发现应用黄水酯化液的窖泥的pH值及铵态氮、有效磷、有效钾的含量都比保养之前有了改善,且原酒中己酸乙酯的含量也有明显提高。
1.3.4 黄水拌糟入窖发酵
黄水中含有丰富的营养物质以及大量经驯化的梭状芽孢杆菌,是优质的“液体窖泥”。在发酵过程中,受黄水浸泡的双轮底糟酒质可明显提高,且对正常发酵产酒无明显影响[33]。因此,黄水可与酒醅混合入窖发酵,在护窖、养窖的同时增加酒糟酸度,促进母糟的酯化反应,进一步提升白酒质量。此外,为提高白酒中总酯含量,也有研究者将黄水制成酯化液后加入酒醅,苏晓丽等[34]在入窖酒醅中加入黄水酯化液,发酵后的酒醅蒸馏得到的白酒质量明显提升。
1.3.5 黄水制曲
黄水丢糟制曲已有较多研究者对其产生兴趣并进行深入研究。大曲是白酒发酵过程中的糖化发酵剂,而在大曲进入酸度较大的窖内发酵环境时,部分大曲微生物因环境的变化被淘汰。黄水是白酒发酵过程产物,在制作酒曲的过程中加入适量的黄水不仅有利于酒曲富集适合于窖池环境的微生物,抑制杂菌生长,同时还可以为酒曲提供醇、酸、酯、醛等多种风味物质。陈柄灿等[35]以泸州老窖大曲为研究对象,发现制曲过程中加入20%黄水所得的成品曲酯化力、发酵力、糖化力提高。简晓平[36]按不同比例同时添加黄水、丢糟制曲,对所制大曲的感官指标、理化指标和微生物指标进行分析,结果表明添加黄水及丢糟制得的大曲糖化力和发酵力提高,且最适添加比例分别为黄水8%、丢糟6%。
1.3.6 黄水制备调味酒
黄水是白酒发酵过程中的发酵产物,含有酒醅的大量风味产物,特别是有机酸物质。因此,黄水通过一定的脱色与除臭,可以用来勾调低档白酒,增加白酒中的香味成分,使其酒体更加的自然协调[37]。陈海风[38]采用产酯酵母制备高酯含量的酯化液,在酯化液中添加乙醇蒸馏萃取获得高酯黄水调味酒,经吸附剂除色后加入基础酒中可提高酒质。
1.3.7 黄水酿醋及制醋饮品
黄水酸度较大,pH多在3.3~3.5范围内,酸以乙酸和乳酸为主,因此黄水酿醋也被作为一种常见的后处理方法,且由于黄水中包含窖内多种微生物发酵代谢产物,使得黄水酿制的醋相对于按传统生产的醋风味更佳,口感更好。张志刚等[39]将黄水粗滤后,添加中高温大曲,进行再次发酵制取香醋,该工艺省去了酒精发酵的环节,直接进行醋酸发酵,得到的产品含有丰富的有机酸、氨基酸及低级酯类物质,符合国家食醋标准,酸度适口、香味醇厚,有其独特的风味。此外,为进一步扩大黄水的附加值,减少资源浪费,周新虎等[40]利用乳酸菌将黄水中的糖类及蛋白类等转换为芳香类物质,制成黄水醋饮品。
1.3.8 黄水其他应用
黄水中所含成分复杂。梁慧珍等[41]利用黄水为底物,固定化丙酸菌发酵产丙酸;陶勇等[42]利用乳酸型己酸菌将黄水中的乳酸转化为己酸,可以直接作为发酵液,同粮糟一起回窖发酵,实现黄水的零排放和资源再利用;白鹏凯等[43]将黄水中的还原糖发酵产乳酸,同时耦合乳酸分离提纯技术分离其中的乳酸。李可[44]运用传统培养和构建小亚基核糖体核糖核酸(small subunit ribosomal ribonucleic acid,SSU rRNA)文库的方法探索发酵黄水中微生物多样性,结果表明黄水中多数微生物为功能性微生物,在营养物质代谢、酸、醇、酯、醛、酮等功能成分合成方面发挥着重要作用,是浓香型白酒香味物质的来源与基础之一;王薇等[45]从黄水中分离出乳酸菌,经过紫外诱变后能高效利用黄水进行发酵产乳酸。罗惠波等[46]通过酸性梯度差异培养法,从黄水中分离的兼性耐酸性酵母菌能在pH≤4的环境下继续表现出较强发酵代谢能力,适宜作白酒发酵生产用菌种。
目前,发酵黄水回收利用主要包括回底锅蒸馏取酒、制备发酵酯化液、拌糟入窖、提取有效成分以及深加工成酱油、食醋等附加产品。但在白酒企业中,目前应用最多的回收利用方法还是进行底锅蒸馏回酒和应用其制备酯化液。而对于其有效成分的提取以及附加工成其他产品还需进一步深入研究。同时,发酵黄水产生于白酒发酵的整个周期,其成分随发酵时间的延长而改变。因此,深入研究黄水成分在发酵过程中的变化将可能有助于探索浓香型白酒的发酵机理,目前已有部分学者对其开展探索。
在浓香型白酒生产过程中,蒸馏摘酒结束后将继续蒸粮约30~40 min左右,期间将形成的大量蒸馏尾水中含有丰富的乳酸、乳酸乙酯等高沸点风味物质[47]。目前,白酒蒸馏尾水的回收利用研究多集中于其风味成分提取、发酵生产酯化液、养护窖池等方面。卢中明等[48]研究不同比例的黄水与尾水混合发酵,在不同发酵条件下生产白酒调酒液,在最佳条件下制备的调酒液可大幅度提高白酒质量。李河等[49]利用黄水澄清液26.20%、酒尾36.34%、尾水37.46%为原料,加入生物酶制剂,在一定条件下发酵获得的生物发酵液总酯(以己酸乙酯计)含量为17.66 g/L。廖勤俭等[47]利用高效液相色谱-四级杆-飞行质谱联用(high performance liquid chromatography-quadrupole time of flight-mass spectrometry,LC-QTOF-MS)技术,对浓香型白酒尾水中的风味成分进行分析,共检测出65种成分,并首次在黄水中检出氨基酸酯类化合物和具有生物活性的γ-氨基丁酸、环(脯氨酸-亮氨酸)、环(脯氨酸-苯丙氨酸)等化合物,为尾水的应用价值提供了理论依据。张敏华等[50]采用精馏装置,分批处理酒精度范围15%vol~30%vol的酒尾,通过白酒馏分回收操作得到富含乳酸乙酯、棕桐酸乙酯、油酸乙酯、乙缩醛风味物质组分的白酒馏分;在白酒馏分回收操作过程中,向精馏塔塔釜中连续流加萃取剂酿造食用酒精和水,控制酿造食用酒精和水的流加量,使塔釜中的物料的酒精浓度保持稳定;通过调整精馏装置的回流比控制器的回流比,控制精馏塔塔顶采出的白酒馏分的酒度,使乳酸乙酯、棕桐酸乙酯、油酸乙酯、乙缩醛风味物质组分在采出的白酒馏分中富集回收,回收的白酒馏分作为调制白酒的原料送至白酒馏分罐。实现白酒生产资源最大化利用;提高白酒生产企业的经济效益。
科学合理的白酒副产物再利用方法不仅会减少酿造废水的排放,还会让白酒酿造废水产生巨大的经济价值。高效回收利用酿造副产物,实现零排放、零污染是白酒行业一直所致力追求的,也是白酒行业可持续发展所必须坚持的。进一步探索改进白酒酿造生产工艺,从源头上减少副产物产量;深入研究白酒副产物再利用方法,降低酿造废水处理成本;寻找新的酿造废水利用方向,进一步实现酿酒副产物分级利用,循环利用,在高效生产附加产值的同时实现零排放。
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