酱香型白酒副产物酒糟窖底水综合利用的研究进展

杨文鹃,王晓丹,蒋 文,曹文涛*

(贵州大学 酿酒与食品工程学院 发酵工程与生物制药重点实验室,贵州 贵阳 550025)

摘 要:酒糟窖底水也称黄水或黄浆水,是酱香型白酒的酿造副产物。酒糟窖底水中有机成分、微生物资源丰富,具有低pH、高化学需氧量(COD)和生化需氧量(BOD)等特点,直接排放极易造成资源浪费和污染环境。近年来,提高窖底水中有机物质利用率、增加其附加值成为研究热点。目前,关于窖底水的研究仅集中于浓香型和清香型白酒,而酱香型白酒酒糟窖底水综合利用的相关研究报道较少或者利用利率不高。该文对酒糟窖底水理化及微生物特点进行概述,浅析窖底水综合利用情况,并总结窖底水处理方法,旨在为窖底水资源的合理利用提供理论依据,在减少环境污染和企业酿造副产物处理成本方面具有一定参考价值。

关键词:酱香型白酒;酒糟窖底水;理化特性;微生物;综合利用;处理方法

随着人民生活水平的提高,白酒的消费市场发生了很大的变化,中高端白酒的市场需求方兴未艾。近来掀起一波“酱香热”,“酱香拿铁、“茅台冰淇淋”、“酒心巧克力”、“酱香鸡尾酒”茅台联名新品不断推出[1]。各大香型龙头白酒企业争相扩建生产规模,增加基酒产量以满足市场的需求,酱香型白酒企业以茅台酒厂生产规模最大,习酒、国台、珍酒、金沙回沙等酒厂生产规模次之。满足年产量的同时,酿造生产过程中所产生的庞大副产物将成为白酒企业亟待解决的难题。贵州省生态厅对贵州省酱香型白酒生产企业的污水处理做出了新《规范》[2],除了从源头上对原料、生产工艺进行控制与预防[3],还应对下游副产物进行合理处置。因此,如何高效地利用好窖底水中有益成分,是将窖底水变废为宝的关键所在。当前,微生物转化技术是最具安全性、绿色节能和成本低的处理方式,符合绿色发展的势趋。

1 酒糟窖底水概述

1.1 酒糟窖底水的来源

酱香型白酒丢糟是以红缨子高粱、河水以及高温大曲作为原料,在霉菌、酵母、细菌和放线菌多种微生物共同协作下自然发酵后,高粱经过九次蒸煮、八次发酵和七次蒸馏取酒后剩余的固体残渣[4]。2022年酒糟产量约为300万t[5],其酸度及水分含量高,堆积过程中易发酵酸败、霉变腐烂,此过程中形成的酒糟窖底水若不及时处理会对地表水、地下水、空气和土壤造成二次污染[6]

酱香型白酒酒糟窖底水,又称黄浆水或者黄水,包括平地发酵黄水和窖坑发酵黄水(窖底黄水)[7]。酒醅在发酵过程中,淀粉经糖化发酵产生乙醇的同时产生CO2从吹口逸出,单位酒醅的质量相对减少,结晶水被游离出来,高粱中的单宁、色素、可溶性淀粉、酵母自溶物、还原糖等溶于水中进而浸入窖池底部,形成黄褐色、伴有特殊气味、浑浊且黏状的液体即为窖底水[8],是白酒固态发酵特有的发酵副产物(图1[8]和图2[9-10][11]。据不完全统计,每生产1 t大曲白酒就会排出12~20 t废水,其中,黄水占300~400 kg[12]

图1 固态法白酒酿造工艺及副产物来源示意图
Fig.1 Schematic diagram of Baijiu brewing process by solid-state method and source of by-products

图2 传统酱香型白酒酒糟窖底水来源
Fig.2 Source of pit bottom water of traditional sauce-flavor Baijiu distiller's grains

1.2 酒糟窖底水的特点

窖底水具有低pH、高生化需氧量(biochemical oxygen demand,BOD)和化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)的特点。窖底水中乳酸占比80%以上[13],且为挥发性较弱的有机酸,因此窖底水酸度较高[14],窖底水pH为2.9~3.8[15]。同时,窖底水中富含可溶性淀粉、色素、蛋白质、氨基酸、糖类等大分子物质[16],这可能是窖底水BOD、COD高的主要原因,窖底水BOD为10 000~20 000 mg/mL,COD为25 000~45 000 mg/mL[10]。若直接排放则达不到酒精生产和白酒工业水污染物排放标准,会对环境造成极大污染[17]

窖底水中营养成分丰富,能基本满足微生物生长的营养需求,因此其微生物资源丰富。窖底水是具有霉菌、酵母菌、细菌和古细菌的自发混合发酵体系,多种菌种混合共同培养,形成复杂的微生物群落[18]。黄水中的微生物总量保持在105~106 CFU/mL,以细菌为主,包括厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、变形菌门(Proteobacteria)、柔膜菌门(Tenericutes)和黏胶球形菌门(Lentisphaerae)等,厚壁菌门和拟杆菌门是优势类群,相对丰度分别为66.8%、16.0%,其中,乳杆菌属(Lactobacilus)、梭菌属(Clostridium)和沙雷氏菌属(Serratia)是窖底水中的优势微生物,相对丰度分别为25.8%、15.9%和14.6%,除细菌外,还含有少量的酵母菌。

2 酒糟窖底水的利用现状

2.1 培养人工窖泥、养窖和拌糟回窖发酵

酱香型白酒是四大基本香型白酒之一,采用传统固态发酵工艺,酱香型白酒窖池四壁由条石壁砌成,而底部为紫砂泥。因此,窖底水在窖池的厌氧发酵环境中发挥重要的作用,其作为酒醅和窖泥之间物质和能量交换的介质,含有大量在窖内特定环境下长期驯化的有益微生物,为这些有益微生物生长繁殖的良好营养环境。李学思等[19]利用优质黄浆水完全代替自来水培养人工窖泥,改善了窖泥风味,并增强了窖泥的酯香,同时也加速了新窖泥的老熟。赵巧珍等[20]研究发现,在浓香型白酒生产过程中,利用黄水制作的酯化液浸润窖壁、窖底能富集微生物,从而保证窖池内微生物的多样性,并且一定数量的黄水还能抑制杂菌生长,降低升温幅度,防止窖内糟醅倒烧。此外,有研究发现,将黄水加工制作成酯化液用于拌糟醅回窖二次发酵,有助于提高产酒质量[21]

2.2 酿造食醋

窖底水中含有大量蛋白质、酸类(有机酸含量较高,且以乙酸和乳酸含量最高)、糖类、酒精以及其他风味物质,具有与食醋香气成分含量相似的香味物质,是酿造食醋的绝佳原料[22]。因此,窖底水经适当工艺处理、调配后进行二次发酵,可加工成独具特色风味的优质食醋产品。王永伟等[23]通过采用生物转化、多菌种协同发酵等生物学手段,结合酿酒技术及传统制醋工艺,将黄水生物转化液和辅型米酒2种发酵液按体积比7∶3进行混合,采用固态有氧发酵方式,生产得到黄水醋饮产品;张伟等[24]以白酒副产物黄浆水为原料,采用液态深层发酵酿醋工艺,开发出一款风味独特的食醋。通过改善传统的食醋酿造工艺,合理利用窖底水中的有效成分,开发食醋新品,从而实现了窖底水资源的再次利用。

2.3 提取有机酸

黄水中的有机酸含量最高,是白酒酿造中其他副产物(如酒尾、锅底水、尾水等)的100多倍,包括挥发酸(乙酸、丁酸、己酸等)和非挥发酸(以乳酸为主),其中乳酸含量为4 066~7 889 mg/100 mL,在窖池中占总酸含量的91%[15]。有研究表明,利用黄水中有机酸调制白酒调味液用于白酒勾兑,可明显提升白酒品质[25]。另外,窖底水中还含有大量的糖类物质,这些糖类物质可被微生物加以利用进行乳酸发酵,可通过二次发酵生产乳酸[26]、乙酸和丙酸[27]。由于乳酸在医药、化工、食品等行业市场需求量较大[28],因此,可利用窖底水中的乳酸制备乳酸钙或者合成复合有机酸钙(见图3[29])。通过提取有机酸,在减少窖底水处理成本的同时,还提高了白酒副产物窖底水的附加值,兼顾了生态效益与经济价值。

图3 乳酸及白酒调味液的生产
Fig.3 Production of lactic acid and Baijiu flavoring liquid

2.4 微生物发酵基质

窖底水在白酒传统固态发酵的窖池中,通过长期驯化形成了复杂的微生物体系,窖底水中具备微生物生长所需的碳源和氮源,因此,可将白酒液体副产物窖底水作为原料制备微生物培养基,并通过发酵生产生物化工产品[30]。韩小龙等[31]利用酶水解黄水中的蛋白质生产富含各种氨基酸的液体,并将这些氨基酸作为酵母的培养氮源用于酒精生产中,结果发现,将黄浆水作为酵母培养的氮源效果明显优于尿素。邓汉森等[32]研究发现,利用白酒液体副产物生产菌体蛋白饲料具备可行性,在锅底水中接种能降解有机酸的酵母菌,可生产65 g/L的菌体蛋白。蒲岚等[33]利用浓香型白酒生产中产生的副产物黄水为培养基培养灵芝菌丝体,通过优化培养条件,培养得到的灵芝菌丝体干质量可达1.308 g/100 mL。因此,对窖底水进行前处理,利用其富含蛋白质及氨基酸态氮的特点,将其加工生产液体蛋白饲料有一定可行性和创新性,可为酒糟窖底水转液体技术研发提供理论依据。

2.5 功能微生物的筛选

酿造环境中的微生物极为丰富,大曲、窖底水、酒醅和窖泥等属于酿造环境中的原料或副产物,发酵能力的大小主要由酒曲中的微生物决定,而窖底水中所含的酵母菌及产香类细菌(如梭状芽孢杆菌等功能性益生菌)与大曲紧密相关。窖底水具有酸度高的特性,一般微生物在此条件下难以生存。因此,可利用黄水作为菌源筛选具有耐酸、降酸的功能微生物,这些功能微生物繁殖和代谢在白酒酿造中对风味物质的形成至关重要[34]。赵皓静等[35]从酒醅中分离鉴定出1株耐酸乳杆菌(Lactobacillus acetotolerans)FBKL1.0204,具有优良的耐酸和产酸特性,并且其在白酒酿造环境中有较好生长繁殖能力,对白酒风味物质的形成发挥重要作用。镇达等[36]对出窖糟醅、黄水、窖泥和枝江大曲优质窖池大曲中的微生物进行分离纯化,结果发现大曲和黄水中存在大量的降乳菌,可用于优化大曲生产工艺参数和控制窖池发酵的乳酸水平。李伟等[37]利用透明圈法从大曲中筛选出具有降解乳酸的功能菌株B4-1与B36-1,经生物分子生物学鉴定,这两株菌均为解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens),可为降低白酒发酵过程中乳酸含量提供理论参考。毛志海等[38]从某酒厂窖泥中筛选出2株乳酸利用效果较好的菌株R-2和R-3,通过分子生物学鉴定这2株菌分别为赖氨酸芽孢杆菌(Lysinibacillus sp.)和热带芽孢杆菌(Bacillus tropicus),乳酸利用菌可以明显降低白酒中的乳酸含量,从而提高酒体品质。深度挖掘窖底水中的微生物资源,合理循环利用窖底水的同时实现了菌种的应用价值。目前,关于酒糟窖底水中功能微生物的应用现状见表1。

表1 酒糟窖底水中功能微生物的应用情况
Table 1 Application of functional microorganisms in pit bottom water of distiller's grains

功能微生物 用途 参考文献己酸菌、甲烷古细菌乳酸菌乳酸利用菌[39][40][38]酵母菌芽孢杆菌维持酿造微生态系统的稳定性,利于风味代谢物的形成用于食品、酿酒、医药及饲料等行业生产己酸、异戊酸等风味物质,降低乳酸含量,改善酒质应用于食品、生命科学、医药、能源轻化工领域生产发酵剂、糖化剂,提高大曲品质[41][42]

2.6 制备生物酯化液

窖底水中的呈香风味物质丰富,其中总酯含量为1.3~2.7 g/L[10]。白酒酿造过程中酯类化合物的形成主要通过微生物代谢生成、酯化酶催化合成和化学合成三个途径,并且三种途径中酯的合成与分解交织在一起,相互补充且相互制约[43]。因此,需要掌握窖底水发酵过程中酯类物质代谢与合成的机制,充分利用窖底水中丰富的风味物质资源,通过制备酯化液以提高酯类物质的含量、调控风味物质合适的量比关系,生产白酒调味液用于白酒勾调,从而改善白酒品质。目前,利用黄水制备酯化液的方法及用途见表2。

表2 酒糟窖底水酯化液制备方法及用途
Table 2 Preparation method and application of esterification solution by pit bottom water

制备方法 用途 参考文献化学酯化法酯化酶技术CO2超临界萃取技术固定化酶技术[44][45][46][47]全细胞酯化技术酯化酶催化法将酯化液加入尾酒中,用以改善白酒品质根据不同窖龄窖池黄水酯化生香制剂,用于黄水窖外发酵生香酯化液用于白酒勾兑,能有效提高酒体的整体质量工业化生产制备具有高浓度己酸乙酯的高价值调味酒生物酯化液直接蒸馏生产高酯调味酒,改善酒的品质解决“生香容易提香难”问题,提高白酒各时间段原酒品质[25][48]

2.7 提取香气物质

白酒中香气成分种类多且成分复杂,而这些成分组成和含量的不同,则是形成不同香型白酒的奇妙之处。在十二种白酒香型中,酱香型白酒香气物质种类最多[49],黄水中含有酸、酯、醇、醛、酮、蛋白质、糖、芳香族等香味成分,是形成白酒风味的前体物质。在这些有机成分中,葡萄糖和氨基酸降解产生的醇类物质是酯类的前驱物质,而酸类化合物不仅是酒体的风味物质还是白酒中酯类生物合成的重要前体物质;适量的醛酮类化合物对浓香型白酒的香气具有积极作用,过量则易使酒体呈苦味;芳香族物质是酒体优雅醇厚的重要物质[50]。目前,多数酒厂采用酯化、超临界CO2萃取等方式提取黄水中的香气成分,生产白酒调味液并用于白酒勾兑,进而提升白酒品质(表3)。有研究表明,丢糟窜蒸和传统的处理方式风味物质的提取率≤0.5%,有机酸的利用量少,用醇酸酯化和液液萃取的方法处理窖底水,风味物质的提取率≤1.0%,但产品质量不稳定,应用前景不佳[9]。相对于其他提取方法,超临界CO2萃取法风味物质的萃取率高达7.4%,具有生产成本低、绿色环保、品质稳定、安全性高等优点,适合工业化生产,可应用于白酒行业[51]

表3 窖底水中香味物质的提取方法及用途
Table 3 Extraction method and application of aromatic substances in pit bottom water

提取方法 用途 参考文献超临界CO2萃取[51]生物活性酶[52][53]生物培养液技术 生产酱香调味酒,使酒体浓郁,品质更好 [54]新型双水相分离提取调味液,用于白酒勾调,有效提高白酒品质催化热裂后的馏出液含有大量的白酒香味物质用于白酒调味提取液进一步脱水得到具有特殊香气的调味液,改善白酒品质

2.8 提取活性成分

酱香型白酒中含有丰富的酯类和酸类功能活性物质,含有2 067种微量成分,其中包括138种功能活性物质[55]。有研究表明,白酒中除含有氨基酸、矿物质和维生素等基本营养成分外,还含有酯类、酚类、吡嗪类、酸类、肽类、萜烯类、呋喃类等活性成分,这些活性物质能促进乙醇代谢提高饮后舒适感,具有保护肝脏的功效[56]。同时窖底水中的活性成分还具有抑菌[57-58]、抗氧化[59]、抗炎[60-61]、抗癌[62]、预防和治疗心血管疾病的功效[63-64],这表明了从酱香型白酒丢糟窖底水中提取的酚类、醇类、酸类、酯类及其他活性成分具有特定的功能特性,具体见表4。

表4 酒糟窖底水中活性成分的功能特性
Table 4 Functional properties of active ingredients in pit bottom water

活性物质 功效 参考文献酚类[65-67]吡嗪类[68-69]醇类清除自由基,抗氧化;保护肝脏,防癌;抗炎症降低血脂和预防血栓;抗炎;预防冠心病;增强认知降低血压;扩张血管;促进毛细血管扩张;防止动脉硬化[70-73]酸类及酯类[56,74-76]地衣素活性肽甜菜碱避免急性酒精性肝损伤;软化血管和降低心血管疾病风险;调节情绪具有抗肿瘤、抗病毒、抗菌、抗炎和免疫抑制活性抗氧化促进乙醇损伤肝细胞的恢复[77-78][79-81][82]

综上,窖底水除上述用途外,还有很多开发利用的途径,如用于生产食品防腐剂[29]、作物栽培[83]、判断白酒酒醅质量[84]、制作强化曲[85]、酿造酱油[86]、生产沼气[87]

3 白酒酿造废水的处理方法及发展趋势

为了践行“绿色发展理念”,实现生产治理一体化循环经济,各大白酒企业竞相探索新的生产方式,追求低成本白酒副产物的处理方法,随着新技术新方法不断涌现,对于不同类别、不同品种酿酒废水的污染物,则采取技术集成与联用的方法来处理(见图4[9])。

图4 国内近年来白酒酿造废水不同处理方法占比
Fig.4 Proportion of different treatment methods for Baijiu brewing waste water in China in recent years

在资源与粮食紧缺的当今世界,利用功能微生物转化技术转化窖底水中有益资源可能成为可持续发展的最佳途经。针对酿酒废水的治理问题,只有追根溯源、把生产工艺管控与技术化治理有机结合起来,才能实现生产治理一体化循环经济。周明罗等[88]利用厌氧接触-膜生物反应器联合工艺处理技术处理窖底水,结果表明,厌氧接触池技术对窖底水的预处理效果较好。王毅[89]通过设计及优化“PHOREDOX-MBR”工艺处理某白酒厂的生产废水,结果表明,经过该工艺处理后,白酒废水达到GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中Ⅲ类水标准。曹晋东等[90]对传统的循环厌氧反应器进行改良,并利用新型循环厌氧反应器对米酒酒糟废水进行厌氧发酵,结果发现,该处理能够高效去除酒糟废水的COD,其最适容积负荷约为4 kg COD/(m3·d);同时通过有机物的米酒酒糟进行厌氧发酵产沼气,其中甲烷的生成量高达71%,平均值为54%,符合沼气作为燃料的要求。这一新型循环厌氧反应器若应用在白酒副产物窖底水中,亦可作为实现清洁能源的开发依据,同样具有可行性。王曦等[91]将预处理、生化处理与深度处理有机结合,将传统复杂的工艺流程分为三阶段进行,对酱香白酒废水进行处理,结果发现,处理后的酱香型白酒废水水质符合GB 27631—2011《发酵酒精和白酒工业水污染物排放标准》水污染物特别排放限值。

4 总结与展望

中国白酒历史悠久,酒作为一种历史文化符号,是我国地域文化、种植文化、民族风情等多元化传承与发展的共同结果,是酿酒工人和大自然微生物共同的佳作。近年来,制酒产业规模庞大衍生了许多酿造副产物,尤其窖底水中具有营养丰富的有机物,且具有多种工业应用价值的功能微生物,利用微生物转化窖底水中的有益成分。本文总结酒糟窖底水综合利用的研究进展,一方面,为后续“白酒酒糟窖底水转液体饲料技术研发”奠定一定理论基础。另一方面,高效合理地利用不仅能降低企业处理成本、减轻环境压力,还能促进发酵业、养殖业、种植业等产业链的发展。白酒企业积极响应“必须牢固树立和践行绿水青山就是金山银山的理念,站在人与自然和谐共生的高度谋划发展”号召,探索绿色、环保生产模式,积极响应是顺应“发展方式绿色转型”的要求。

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Research progress on the comprehensive utilization of pit bottom water of distiller's grains,a by-product of sauce-flavor Baijiu

YANG Wenjuan,WANG Xiaodan,JIANG Wen,CAO Wentao*
(Key Laboratory of Fermentation Engineering and Biopharmaceuticals,School of Brewing and Food Engineering,Guizhou University,Guiyang 550025,China)

Abstract:Pit bottom water of distiller's grains,also known as Huangshui or Huangjiangshui, is a by-product of the brewing of sauce-flavor (Jiangxiangxing)Baijiu.The pit bottom water of distiller's grains is rich in organic components and microbial resources,and has the characteristics of low pH,high chemical oxygen demand(COD)and biochemical oxygen demand(BOD).Direct discharge is easy to waste resources and pollute the environment.In recent years,improving the utilization rate of organic matter in pit bottom water and increasing its added value have become research hotspots.At present,the research on pit bottom water only focuses on strong-flavor(Nongxiangxing)and light-flavor(Qingxiangxing)Baijiu,while there are few research reports on the comprehensive utilization of pit bottom water of sauce-flavor Baijiu distiller's grains or the utilization rate is not high.In this paper,the physicochemical and microbial characteristics of pit bottom water of distiller's grains were summarized,the comprehensive utilization of pit bottom water was analyzed,and the treatment methods of pit bottom water were summarized,aiming to provide a theoretical basis for the rational utilization of pit bottom water resources, and have certain reference value in reducing environmental pollution and the cost of treatment of brewing by-products.

Key words:sauce-flavor Baijiu;pit bottom water of distiller's grains;physicochemical property;microorganism;comprehensive utilization;treatment method

中图分类号:TS262.3

文章编号:0254-5071202403-0006-07

doi:10.11882/j.issn.0254-5071.2024.03.002

引文格式:杨文鹃,王晓丹,蒋文,等.酱香型白酒副产物酒糟窖底水综合利用的研究进展[J].中国酿造,2024,43(3):6-12.

收稿日期:2023-12-04

修回日期:2024-01-05

基金项目:遵义市科学技术计划项目(遵市科合支撑GY〔2021〕34号)

作者简介:杨文鹃(1995-),女,硕士研究生,研究方向为功能微生物筛选及白酒酿造副产物资源循环利用。

*通讯作者:曹文涛(1967-),男,教授,本科,研究方向为酿酒微生物筛选及功能应用研究及白酒糟资源化利用。