第三节 糖化发酵过程中的物质变化

一、糖化过程中的物质变化

将淀粉经酶的作用生成糖及其中间产物的过程，称为糖化。在白酒生产中，除了液态发酵法白酒是先糖化、后发酵外，固态或半固态发酵的白酒，均是糖化和发酵同时进行的。糖化过程中的物质变化，以淀粉酶解为主，同是也有其他一系列的生物化学反应。

（一）淀粉糖化过程中的物质变化

1．淀粉的酶解及其产物

淀粉酶解成糖的总的反应式如下：

由上式中各成分的相对分子质量不难算出，在理论上100kg淀粉可生成111.12kg葡萄糖。

淀粉酶包括α-淀粉酶、糖化酶、异淀粉酶、β-淀粉酶、麦芽糖酶、转移葡萄糖苷酶等多种酶。这些酶都同时在起作用，故产物除可发酵性糖以外，还有糊精及低聚糖等成分。其中转移葡萄糖苷酶还能将麦芽糖等低聚糖变为α-1，6键、α-1，2键及α-1，3键结合的低聚糖，它们不能被糖化酶分解，是非发酵性糖类；转移葡萄糖苷酶还能将葡萄糖与酒精结合，生成醚-乙基葡萄糖苷。

另外，酸性蛋白酶与α-淀粉酶等协同作用，进行淀粉的糖化，这说明淀粉酶的作用也不是孤立进行的。

2．淀粉及其酶解产物的分子组成及其特性

（1）淀粉的结构及其特性 淀粉的分子式为（C6H10O5）n，是由许多葡萄糖苷（1个葡萄糖分子脱去1分子水）为基本单位连接起来的。可分为直链淀粉和支链淀粉两大类。凡是糯性的高粱、大米、玉米等的淀粉，几乎全是支链淀粉；而呈粳性的粮谷中，大约有80%是支链淀粉，20%左右是直链淀粉。

①直链淀粉：由大量葡萄糖分子以α-1，4键脱水缩合，组成不分支的链状结构。其相对分子质量为几万至几十万；易溶于水，溶液黏度不大，容易老化，酶解较完全。

②支链淀粉：呈分支的链状结构，且在分支点的2个葡萄糖残基以α-1，6键结合，每隔8～9个葡萄糖苷单位即有1个分支。其相对分子质量为几十万至几百万；热水中难溶解，溶液黏度较高，不容易老化，糖化速度较慢。

（2）淀粉酶解产物的特性 糖化作用一开始，就生成中间产物及最终产物，但以中间产物为主。随着糖化作用的不断进行，碳水化合物的平均相对分子质量、物料黏度及比旋度等会逐渐降低；但还原性逐渐增强，对碘的呈色反应渐趋消失。通常，可溶性淀粉遇碘呈蓝色→蓝紫色→樱桃红色；淀粉糊精及赤色糊精遇碘也呈樱桃红色；变为无色糊精后的产物，遇碘时不再变色，即为黄的碘液色泽。淀粉糖化产物的若干特性，如表4-1所示。实际上，除液态发酵法白酒外，醅和醪中始终含有较多的淀粉。淀粉浓度的下降速度和幅度受曲的质量、发酵温度和升酸状况等因素的制约。若酒醅的糖化力高且持久、酵母发酵力强且有后劲，则酒醅升温及生酸速度较稳，淀粉浓度下降快，出酒率也高。通常在发酵的前期和中期，淀粉浓度下降较快；发酵后期，由于酒精含量及酸度较高、淀粉酶和酵母活力减弱，故淀粉浓度变化不大。在扔糟中，仍含有相当浓度的残余淀粉。淀粉糊精可沉淀于40%的酒精中，赤色糊精可用65%的酒精沉淀，无色糊精和寡糖则需96%的酒精才能沉淀。

①糊精：糊精是介于淀粉和低聚糖之间的酶解产物。无一定的分子式，呈白色或黄色无定形，能溶于水成胶状溶液，不溶于乙醚。淀粉酶解时，能产生如上所述的不同糊精，通常遇碘呈红棕色（或称樱桃红色），生成的无色糊精遇碘后不变色。

通常认为，糊精的分子组成是10～20个以上的葡萄糖残基单位；按其相对分子质量的大小，又有俗称为大糊精和小糊精之分，凡具有分支结构的小糊精，又称为α-界限糊精或β-界限糊精。

②低聚糖：人们对低聚糖定义说法不一。有说其分子组成为2～6个葡萄糖苷单位的，或说2～10个、2～20个葡萄糖苷单位的；也有人认为它是二、三、四糖的总称；还有称其为寡糖的。但一般认为的寡糖是非发酵性的三糖或四糖。在转移葡萄糖苷酶的作用下，使1个葡萄糖苷结合到麦芽糖分子上形成l，6键结合，成为具有3个葡萄糖苷单位的糖，称之为潘糖。因其是我国学者潘尚贞在1951年首次发现的，故名。但该糖不能与异麦芽糖混为一谈，因后者是具有α-1，6葡萄糖苷键结合的二糖，它也是淀粉的酶解产物。低聚糖以二糖和三糖为主。

凡是直链淀粉酶解至分子组成少于6个葡萄糖苷单位的低聚糖，都不与碘液起呈色反应。因每6个葡萄糖残基的链形成一圈螺旋，可以束缚1个碘分子。

③二糖：又称双糖，是相对分子质量最小的低聚糖，由2分子单糖结合成。重要的二糖有蔗糖、麦芽糖和乳糖。1分子麦芽糖经麦芽糖酶水解时，生成2分子葡萄糖；1分子蔗糖经蔗糖酶水解时，生成1分子葡萄糖、1分子果糖；1分子乳糖经乳糖酶作用，生成1分子葡萄糖及1分子半乳糖。麦芽糖的甜度为蔗糖的40%；乳糖的甜度为蔗糖的70%。

④单糖：是不能再继续被淀粉酶类水解的最简单的糖类。它是多羟醇的醛或酮的衍生物，如葡萄糖、果糖等。单糖按其所含碳原子的数目又可分为丙糖、丁糖、戊糖和己糖。每种单糖都有醛糖和酮糖。如葡萄糖，也称右旋糖，是最为常见的六碳醛糖。其甜度为蔗糖的70%，相对密度为1.544（25℃），熔点146℃（分解），溶于水，微溶于乙醇，不溶于乙醚及芳香烃，具有还原性和右旋光性。在淀粉分子中，葡萄糖单位呈α-构型存在；酶解时，生成的葡萄糖为β-构型，但在水溶液中，可向α-构型转变，最后两种异构体达到动态平衡。果糖也称左旋糖，是一种六碳酮糖，是普通糖类中最甜的糖。其甜度高于蔗糖，水溶解度较高，熔点为103～105℃，能溶于乙醇和乙醚，具有左旋光性。葡萄糖经异构酶的作用，可变为果糖。通常，单糖及双糖能被一般酵母所利用，是最为基本的可发酵性糖类。

白酒醅中还原糖的变化，微妙地反映了糖化与发酵速度的平衡程度。通常在发酵前期，尤其是开头几天，由于发酵菌数量有限，而糖化作用迅速，故还原糖含量很快增长至最高值；随着发酵时间的延续，因酵母等微生物数量已相对稳定，发酵力增强，故还原糖含量急剧下降；到发酵后期时，还原糖含量基本不变。发酵期间还原糖含量的变化，主要受曲的质量及酒醅酸度的制约。发酵后期醅中残糖的含量多少，表明发酵的程度和酒醅的质量，不同大曲酒醅的残糖也有差异。例如，清蒸清的大酒醅的淀粉浓度很大，发酵后酒醅中的残糖为0.8%左右；混蒸续发酵后的酒醅残糖可低至0.2%～0.5%。

（二）蛋白质、脂肪、果胶、单宁等成分的酶解

1．蛋白质的酶解

蛋白质在蛋白酶类的作用下，水解为、胨、多肽及氨基酸等中、低分子含氮物，为酵母菌等及时地提供了营养。

2．脂肪的酶解

脂肪由脂肪酶水解为甘油和脂肪酸。一部分甘油是微生物的营养源；一部分受曲霉及细菌的β-氧化作用，除去2个碳原子而生成种种低级脂肪酸。

3．果胶的酶解

果胶在果胶酶的作用下，水解成果胶酸和甲醇。

4．单宁的酶解

单宁在单宁酶的作用下生成丁香酸。

5．有机磷酸化合物的酶解

在磷酸酯酶的作用下，磷酸自有机磷酸化合物中释放出来，为酵母等微生物的生长和发酵提供了磷源。

6．纤维素、半纤维素的酶解

部分纤维素、半纤维素在纤维素酶及半纤维素酶的催化下，水解为少量葡萄糖、纤维二糖及木糖等糖类。

7．木质素的酶解

木质素在白酒原料中也存在，它是一种含苯丙烷、邻甲氧基苯酚等以不规则方式结合的高分子芳香族化合物。在木质素酶的作用下，可生成酚类化合物，如香草醛、香草酸、阿魏酸及4-乙基阿魏酸等。若粮糟在加曲后、入窖之前采用堆积升温的方法，则可增加阿魏酸等的生成量。

此外，在糖化过程中，氧化还原酶等酶类也在起作用；加之发酵过程也在同时进行，故物质变化是错综复杂的，很难说得非常清楚。

二、白酒发酵类型

通常的发酵类型有常压或带压、间歇或半连续及连续、敞口或半密闭及密闭发酵之分；但从原料及发酵进程中的生物化学变化来分，则有单式及复式发酵两大类，复式发酵又有单行及并行之分。而白酒发酵包括了上述所有的发酵类型，故其复杂性是其他任何酒类所无可比拟的。

1．单式发酵

单式发酵是指使用糖质原料，无需糖化过程的一类发酵。例如以各种果类及制糖副产物等为原料制取烧酒等。

2．复式发酵

复式发酵是指使用含淀粉的原料（淀粉质原料），需经淀粉酶进行糖化的一类发酵。

（1）单行复式发酵 指以淀粉质原料经蒸煮后，先由曲类等糖化剂将淀粉糖化为可发酵性糖，再添加发酵剂进行发酵的一类发酵。例如以高粱、玉米、薯类等为原料，采用液态发酵法生产白酒，即属于这种发酵类型。

（2）并行复式发酵 指使用淀粉质原料，糖化和发酵同时进行的一类发酵。例如大曲及麸曲固态发酵法制白酒，以及小曲酒的生产，均属这种发酵类型。在小曲白酒生产中，如三花酒的发酵前期，物料呈固态，以糖化作用为主，故人们习惯上称其为先糖化；然后再加水继续进行糖化发酵。但实际上由于小曲本身既是糖化剂，又是发酵剂，且物料呈固态状的发酵前期的温度等条件，也适于发酵菌的发酵，故总的说来，其整个发酵过程仍应称为并行复式发酵，因为它与上述的液态发酵法制白酒的单行复式发酵有实质性的区别。

三、发酵过程阶段的划分

1．发酵过程中发酵阶段的划分

浓香型大曲酒生产从酿酒原料淀粉等物质到乙醇等成分的生成，均是在多种微生物的共同参与、作用下，经过极其复杂的糖化、发酵过程而完成的。依据淀粉成糖，糖成酒的基本原理，以及固态法酿造特点可把整个糖化发酵过程划分为三个阶段。

（1）主发酵期 当摊晾下曲的糟醅进入窖池密封后，直到乙醇生成的过程，这一阶段为主发酵期。它包括糖化与酒精发酵两个过程。

密封的窖池，尽管隔绝了空气，但霉菌可利用糟醅颗粒间形成的缝隙所蕴藏的稀薄空气进行有氧呼吸，而淀粉酶将可溶性淀粉转化生成葡萄糖。这一阶段是糖化阶段。而在有氧的条件下，大量的酵母菌进行菌体繁殖，当霉菌等把窖内氧气消耗完了以后，整个窖池呈无氧状态，此时酵母菌进行酒精发酵。酵母菌分泌出的酒化酶对糖进行酒精发酵。

固态法白酒生产，糖化、发酵不是截然分开的，而是边糖化边发酵。因此，边糖化，边发酵是主发酵期的基本特征。

在封窖后的几天内，由于好气性微生物的有氧呼吸，产生大量的二氧化碳，同时糟醅逐渐升温，温度应缓慢上升，当窖内氧气完全耗尽时，窖内糟醅在无氧条件下进行酒精发酵，窖内温度逐渐升至最高，而且能稳定一段时间后，再开始缓慢下降。

（2）生酸期 在这阶段内，窖内糟醅经过复杂的生物化学等变化，除酒精、糖的大量生成外，还会产生大量的有机酸，主要是乙酸和乳酸，也有己酸、丁酸等其他有机酸。

在窖内除了霉菌、酵母菌外，还有细菌，细菌代谢活动是窖内酸类物质生成的主要途径。由醋酸菌作用将葡萄糖生成乙酸，也可以由酵母酒精发酵支路生成乙酸。乳酸菌可将葡萄糖发酵生成乳酸。糖源是窖内生酸的主要基质。酒精经醋酸菌氧化也能生成乙酸。糟醅在发酵过程中，酸的种类与酸的生成途径也是较多的。

总之，固态法白酒生产属开放式，在生产中自然接种大量的微生物，它们在糖化发酵过程中自然会生成大量的酸类物质。酸类物质在白酒中既是呈香呈味物质，又是酯类物质生成的前体物质，即“无酸不成酯”，一定含量的酸类物质是体现酒质优劣的标志。

（3）产香味期 经过20多天，酒精发酵基本完成，同时产生有机酸，酸含量随着发酵时间的延长而增加。从这一时间算起直到开窖止，这一段时间内是发酵过程中的产酯期，也是香味物质逐渐生成的时期。

糟醅中所含的香味成分是极多的，浓香型大曲酒的呈香呈味物质是酯类物质，酯类物质生成的多少，对产品质量有极大影响。在酯化期，酯类物质的生成主要是生化反应。在这个阶段，由微生物细胞中所含酯酶的催化作用而使酯类物质生成，化学反应的酸、醇作用生成酯，速度是非常缓慢的。在酯化期，都要消耗大量的醇和酸。

在酯化期除了大量生成己酸乙酯、乙酸乙酯、乳酸乙酯、丁酸乙酯等酯类外，同时伴随生成另一些香味物质，但酯的生成是其主要特征。

2．浓香型白酒香味成分的形成

浓香型白酒具有窖香浓郁，饮后尤香，清洌甘爽，回味悠长的独特风格，这些特点都与浓香型白酒中具有众多的香味成分和特定的比例分不开的。据目前的分析所知，香味成分达1000多种，但含量都很微少，只占酒的1%～2%。在酿酒中，这些香味成分除原料直接带来外，其大部分是伴随着酒精发酵的同时，在众多微生物的协同作用下，经复杂转化的结果，如窖泥、曲药、母糟的微生物在窖内经复杂的生物转化，才得到了浓香型白酒中的有机酸、酯、醇、醛、酮、芳香族化合物，以及少量的含氮化合物、硫化合物等。