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      酒醅溫度調(diào)控對清香型白酒發(fā)酵過程的影響

      2016-07-21 01:31:25陳丙友韓英張鑫楊宇萬清徽陳建新
      食品與發(fā)酵工業(yè) 2016年6期
      關(guān)鍵詞:理化指標(biāo)熱圖主成分分析

      陳丙友,韓英,張鑫,楊宇,萬清徽,陳建新*

      1(江南大學(xué) 糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國家工程實驗室,江蘇 無錫, 214122)2(山西杏花村汾酒廠股份有限公司技術(shù)中心,山西 汾陽,032205)

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      酒醅溫度調(diào)控對清香型白酒發(fā)酵過程的影響

      陳丙友1,韓英2,張鑫2,楊宇2,萬清徽1,陳建新1*

      1(江南大學(xué) 糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國家工程實驗室,江蘇 無錫, 214122)2(山西杏花村汾酒廠股份有限公司技術(shù)中心,山西 汾陽,032205)

      摘要以傳統(tǒng)發(fā)酵為對照,在實驗室條件下模擬清香型白酒的發(fā)酵,并對發(fā)酵過程酒醅溫度進行了控制。通過比較發(fā)酵過程酒醅理化性質(zhì)的變化方式以及發(fā)酵所得原酒風(fēng)味成分,發(fā)現(xiàn)酒醅溫度及其變化模式對酒醅微生物群落的生長和代謝產(chǎn)生顯著影響。通過檢測發(fā)現(xiàn)實際生產(chǎn)中地缸內(nèi)溫度不均勻,存在溫度場。測定地缸不同部位酒醅理化性質(zhì)表明地缸中的溫度場對白酒發(fā)酵產(chǎn)生了影響。由此認(rèn)為,白酒發(fā)酵過程酒醅溫度控制技術(shù)需以更深入的研究為基礎(chǔ)。

      關(guān)鍵詞清香型白酒;控溫發(fā)酵;理化指標(biāo);熱圖;主成分分析

      傳統(tǒng)白酒發(fā)酵特征之一為固態(tài)發(fā)酵工藝和埋地發(fā)酵系統(tǒng),發(fā)酵過程中酒醅的溫度主要由入窖時酒醅的初始溫度和發(fā)酵時微生物代謝熱以及場地周圍環(huán)境溫度決定。由于場地周圍環(huán)境溫度決定于氣候溫度,因此,白酒發(fā)酵過程中酒醅溫度會在一定的范圍內(nèi)波動,無法實現(xiàn)有效的人為控制,屬于相對粗放的過程。目前人們對發(fā)酵過程酒醅溫度對白酒發(fā)酵過程和白酒質(zhì)量的影響的了解僅處在簡單的推測和定性的認(rèn)識水平。隨著白酒機械化的發(fā)展,傳統(tǒng)白酒發(fā)酵過程需要進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和改變,以適應(yīng)機械化的需要。在這種前提下,準(zhǔn)確地了解酒醅溫度對白酒發(fā)酵過程和白酒質(zhì)量的影響成為一個重要的課題。當(dāng)前通過控制發(fā)酵過程酒醅溫度以了解溫度對白酒發(fā)酵的影響的研究相對較少,其中,羅冰通過6組U型換熱管調(diào)節(jié)了發(fā)酵過程窖池的溫度變化過程,結(jié)果白酒質(zhì)量發(fā)生變化[1]。張超使用可以調(diào)節(jié)溫度的窖池控制發(fā)酵過程中前期升溫和后期降溫的速率,從而影響了發(fā)酵過程各類微生物數(shù)量的變化[2]。張鑫采用地上不銹鋼槽控制環(huán)境溫度的方式嘗試進行清香型白酒的發(fā)酵,發(fā)現(xiàn)溫度變化與傳統(tǒng)發(fā)酵過程不同,出酒率和酒質(zhì)也略不同,酸度略高[3]??梢姕囟葘Πl(fā)酵過程產(chǎn)生重要影響,但這種影響比較復(fù)雜。本研究以傳統(tǒng)清香型發(fā)酵工藝為基礎(chǔ),控制發(fā)酵過程的酒醅溫度,研究發(fā)酵過程中酒醅理化性質(zhì)的變化規(guī)律和最終原酒品質(zhì)。為下一步研究可控溫白酒發(fā)酵過程提供依據(jù)。

      1材料與方法

      1.1材料和試劑

      1.1.1發(fā)酵原料及試劑

      高粱、大曲、稻殼等發(fā)酵材料,由山西省杏花村汾酒股份有限公司提供。內(nèi)標(biāo)乙酸正戊酯(色譜純),譜析科技有限公司。葡萄糖,鹽酸等試劑(分析純),國藥集團化學(xué)試劑有限公司。正丙醇(色譜純),國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

      1.1.2儀器設(shè)備

      氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(Bruker SCION SQ 456GCMS),德國Bruker公司;氣相色譜儀(島津2010-plus),日本島津公司;生化培養(yǎng)箱(BSP-250),上海博訊實業(yè)有限公司;電子天平(AL204)METTLER TOLEDO;恒溫水浴鍋(W201D),上海申順生物技術(shù)有限公司;無紙記錄儀(SIN-R200D),溫度探頭(Pt100),杭州聯(lián)測自動化技術(shù)有限公司;紐扣溫度計(DS1922L)美國Maxim公司。

      1.2發(fā)酵工藝

      (1)各取2.6 kg紅糝編號①、②,按汾酒發(fā)酵工藝(潤糧→蒸糧→加漿、揚冷→加曲、混勻→入缸發(fā)酵→出缸加輔料→上甑流酒)發(fā)酵。

      (2)在發(fā)酵階段將①、②號發(fā)酵缸分別放入20 ℃恒溫培養(yǎng)箱和25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中,并在線監(jiān)測記錄不同部位的酒醅溫度數(shù)據(jù)。

      (3)在實際生產(chǎn)發(fā)酵地缸中埋入紐扣溫度計(DS1922L)測定地缸中不同部位的酒醅溫度。

      (4)測溫點的安排:發(fā)酵缸中心軸上距離缸口5cm處測溫點①,發(fā)酵缸的中心軸上距離缸口和缸底等距離的中點處測溫點②,發(fā)酵缸中心軸距離缸底5 cm處測溫點③,和經(jīng)過②點和中心軸垂直的水平面上距離缸邊5 cm處為測溫點④。

      (5)在①、②號發(fā)酵缸及實際生產(chǎn)地缸中每2天取樣測定酒醅理化性質(zhì)。

      1.3測定方法

      1.3.1酸度的測定[4]

      酸堿中和法。

      1.3.2淀粉含量的測定[5]

      用酸將淀粉水解成葡萄糖,葡萄糖分子中的醛基具有還原性,還原性的醛基與菲林試劑及指示劑反應(yīng),以此來測定酒醅中淀粉含量。

      1.3.3還原糖的測定

      菲林試劑法。

      1.3.4酒精度的測定[6-7]

      (1)酒醅乙醇的提?。悍Q取10 g酒醅樣品加入100 mL蒸餾水置于電爐上加熱蒸餾,待餾出液達到50 mL時,加入白酒內(nèi)標(biāo)1 mL定容到100 mL,待上機測定。

      (2)GC分析方法及條件:檢測器:氫火焰離子化檢測器;色譜柱:HP-PLOT/Q(15 m×0.230 mm×20 mm);程序升溫:40 ℃保持2 min,以4℃/min升至220 ℃保持10 min,進樣口溫度為200 ℃;進樣量1 μ L;分流比20∶1;檢測器溫度220 ℃。

      1.3.5白酒風(fēng)味成分測定[8]

      (1)酒樣預(yù)處理:取5 mL原酒樣品,加入內(nèi)標(biāo)乙酸正戊酯100 mL搖勻,待上機測定。

      (2)GC-MS分析方法及條件:GC條件:進樣口溫度25 ℃,載氣(He)流速2 mL/min;進樣量1 μL;不分流進樣。色譜柱為DB-WAX(30 m×0.25 mm×0.25 mL,J&W Scientific);升溫程序40 ℃,恒溫2 min,以4 ℃/min的升溫速度升至230 ℃,保持10 min。MS條件:EI電離子源;電子能量70 eV;離子源溫度200 ℃;掃描范圍33.00~350.00 amu。

      2結(jié)果與分析

      2.1不同控溫條件下酒醅溫度變化

      由圖1可以看出,當(dāng)培養(yǎng)環(huán)境溫度為20 ℃和25 ℃時,酒醅溫度分別維持在22 ℃和26 ℃左右,由于實驗室發(fā)酵缸體積遠(yuǎn)小于實際生產(chǎn)的地缸,并且環(huán)境溫度保持恒定,因此整個發(fā)酵過程酒醅溫度基本穩(wěn)定,波動幅度也比較小,同時不同部位的溫度差也比較小,酒醅與環(huán)境之間的溫度差基本在2 ℃左右,發(fā)酵系統(tǒng)可以認(rèn)為是集中參數(shù)系統(tǒng)。

      圖1 不同控溫條件下酒醅溫度隨發(fā)酵時間變化Fig.1 Temperature in different temperature control condition wine fermented grains fermentation time change

      相比較而言,由于實際生產(chǎn)地缸與周圍土地及環(huán)境形成一個整體,發(fā)酵熱被土壤吸收,再緩慢傳遞到環(huán)境中,因此,溫度變化表現(xiàn)為“前緩,中挺,后緩落”的趨勢[9],整個過程酒醅溫度波動幅度有13~20 ℃。同時,發(fā)酵過程中不同部位酒醅的溫度也相差較大,最大溫度差有5 ℃,因此,實際發(fā)酵系統(tǒng)屬于參數(shù)分布系統(tǒng),地缸各處溫度并不相同,特別是在發(fā)酵旺盛期,溫度差別較大。這種溫度差的存在對白酒發(fā)酵會產(chǎn)生什么樣的影響還需要進一步探究,但清香型白酒發(fā)酵過程中,這樣的溫度變化模式卻是白酒發(fā)酵的特征之一。

      2.2不同發(fā)酵控溫模式對白酒理化性質(zhì)的影響

      2.2.1發(fā)酵過程酸度的變化

      酸度是判斷酒醅發(fā)酵是否正常的一個重要指標(biāo)。酒醅酸度過高就會抑制酵母菌的正常生長進而影響酒精的生成,降低白酒產(chǎn)量;酒醅酸度過低,有可能導(dǎo)致成品酒中酸度低,影響成品酒協(xié)調(diào)性,降低白酒質(zhì)量,同時,酒醅中的有機酸也是酒中酯類物質(zhì)的前體。所以控制酒醅酸度合理正常,對白酒正常發(fā)酵至關(guān)重要。

      由圖2酸度變化可以看出:實驗室控溫發(fā)酵的酒醅酸度都是在前6天迅速增加,而實際生產(chǎn)中的酒醅酸度變化相對延遲,這主要由于酒醅溫度對產(chǎn)酸微生物的代謝有促進作用,實際生產(chǎn)的酒醅前期溫度更低,控溫發(fā)酵的酒醅溫度相對較高,因此會出現(xiàn)上述現(xiàn)象。到6~10天,酸度增加都趨于平緩,而實際生產(chǎn)酸度增加相對較大。最終的酸度值,實際生產(chǎn)的最大,25 ℃控溫發(fā)酵的次之,而20 ℃控溫發(fā)酵的明顯低于前兩者。盡管實際生產(chǎn)發(fā)酵初期溫度較低,但其頂溫往往可以達到35 ℃左右,遠(yuǎn)高于25 ℃和20 ℃控溫酒醅的溫度,這個溫度屬于產(chǎn)酸菌最適發(fā)酵溫度,是影響實際發(fā)酵過程最終酸度的主要時間階段,由于在冬季頂溫相對較低,產(chǎn)酸相對較少,因此,實際生產(chǎn)中冬季酒質(zhì)好于其他季節(jié)是原因。這樣比較可以得到控制實際生產(chǎn)過程的頂溫可以降低最終酒醅的酸度。而更低的酒醅溫度可以顯著降低最終酒醅的酸度。

      圖2 發(fā)酵過程中酸度的變化Fig.2 The acidity change in the process of fermentation

      2.2.2發(fā)酵過程酒度的變化

      圖3反映出酒醅溫度對酒醅酒度的影響,酒精發(fā)酵主要在發(fā)酵的前6天,這是酒度增加最迅速的階段。其中25 ℃控溫發(fā)酵的酒醅的酒度增加速度高于20 ℃控溫發(fā)酵和實際生產(chǎn),這主要是由于酵母的最適發(fā)酵溫度為25 ℃到30 ℃。此外酒醅的最終酒度為20 ℃控溫發(fā)酵最高, 25 ℃控溫發(fā)酵次之,而實際生產(chǎn)最低。盡管20 ℃控溫發(fā)酵的酒精度升高速度較慢,但其發(fā)酵時間最長,到15天時才達到最大值。這可能是因為在酒醅溫度較低時,發(fā)酵速度較慢,但酵母的生命周期更長,對酒精的耐受性更高,增加了酵母菌產(chǎn)酒精的時間,最終增加了酒精產(chǎn)量,這也和實際生產(chǎn)上為提高白酒產(chǎn)量強調(diào)發(fā)酵溫度應(yīng)控制為“前緩”的理念相符。

      圖3 發(fā)酵過程中酒度的變化Fig.3 The alcoholic strength change in the process of fermentation

      2.2.3發(fā)酵過程淀粉含量及還原糖含量的變化

      白酒發(fā)酵屬于典型的“雙邊發(fā)酵”過程,還原糖含量反映了微生物利用還原糖的速度與糖化酶分解糊化后淀粉的速度之間的平衡,還原糖含量高意味著微生物利用還原糖的速度相當(dāng)較慢,反之,則是酶解速度較慢。淀粉的含量反映了發(fā)酵過程淀粉消耗的速度,也就反映了白酒發(fā)酵整體的情況。酒醅最終淀粉率是判斷酒醅是否有再發(fā)酵或其他利用價值的最主要指標(biāo)。

      圖4中實際生產(chǎn)和25 ℃控溫發(fā)酵淀粉含量變化速率相差不大,而20 ℃控溫發(fā)酵淀粉含量相對較慢,但持續(xù)時間較長,但最終3種發(fā)酵模式剩余的淀粉含量基本相同。

      圖4 發(fā)酵過程中淀粉率的變化Fig.4 The starch content change in the process of fermentation

      圖5中可以發(fā)現(xiàn),3種發(fā)酵還原糖變化模式相似,即前期高然后降低到最低值再緩慢回升,發(fā)酵結(jié)束時有一定的還原糖未被利用。但3者之間有顯著區(qū)別,前期20 ℃控溫發(fā)酵最高,25 ℃控溫發(fā)酵和實際生產(chǎn)相對較低,但后期則是25 ℃控溫發(fā)酵和實際生產(chǎn)相對較高。另外,20 ℃控溫發(fā)酵達到還原糖最低點的時間也顯著晚于25 ℃控溫發(fā)酵和實際生產(chǎn)。這種現(xiàn)象說明前期糖化速度快于發(fā)酵速度,而后期微生物的活動先停止而糖化活動后停止,造成還原糖累積。比較3種發(fā)酵過程,20 ℃控溫發(fā)酵在中后期發(fā)酵與糖化速率相對比較協(xié)調(diào),這也可能是其發(fā)酵時間更長的原因之一。

      圖5 發(fā)酵過程中還原糖的變化Fig.5 The reducing sugart change in the process of fermentation

      2.2.4實際生產(chǎn)過程中地缸不同部位理化性質(zhì)

      由于實際生產(chǎn)過程地缸不同部位的溫度存在差異,因此,發(fā)酵過程不同部位的理化性質(zhì)也被測定,以便了解溫度場的存在對不同部位酒醅的理化性質(zhì)是否也造成影響。

      從圖6中可以看出,地缸中不同部位酒醅的理化性質(zhì)存在差異,但差異的幅度不同,除了還原糖以外,在第5天各部位差異最大。這個現(xiàn)象能夠在一定程度上說明溫度差對發(fā)酵造成的影響。由于除淀粉以外其余指標(biāo)都是測定小分子物質(zhì)的含量,這些物質(zhì)具備自由擴散的能力,濃度差會隨著時間的逐漸消退,第5天是溫度差較大的最初時期,由于擴散時間還比較短,因此,各部位的濃度差異明顯。還原糖的變化規(guī)律不同于其他指標(biāo),因此,其差異變化也不同于其它指標(biāo)。

      圖6 實際生產(chǎn)發(fā)酵過程中還原糖理化指標(biāo)的變化Fig.6 Changes of physical and chemical in the actual production and fermentation process

      另外,由于造成濃度差異的原因還有酒醅本身混合均勻程度,測定誤差等,因此不能把不同部位酒醅理化性質(zhì)的差異完全歸因于溫度場的作用,但第5天差異較大的現(xiàn)象還是能夠說明溫度差造成了影響。

      2.3發(fā)酵白酒風(fēng)味成分測定及多元統(tǒng)計分析

      2.3.1白酒風(fēng)味成分測定

      從圖7以熱圖的形式比較了不同發(fā)酵控溫模式得到的白酒在風(fēng)味成分上的差異??販匕l(fā)酵得到的成品酒與實際生產(chǎn)過程的成品酒相比,雖然主要風(fēng)味物質(zhì)含量基本相同但的風(fēng)味數(shù)量偏少,原因可能是溫度對微生物代謝及各種酶促反應(yīng)的影響造成,同時,實驗室的環(huán)境中適宜白酒發(fā)酵的微生物體系與實際生產(chǎn)中的微生物環(huán)境體系不同也可能是影響因素之一。另外,控溫發(fā)酵中棕櫚酸乙酯,油酸乙酯含量明顯高于實際生產(chǎn)中,有研究表明這兩種物質(zhì)與白酒中的保健功能有一定的相關(guān)性[10]。

      2.3.2白酒風(fēng)味成分的主成分分析

      單純比較白酒中風(fēng)味成分的差異無法得到一個總體上的評價,采用多元統(tǒng)計分析對白酒中風(fēng)味成分進行總體比較可以更直觀的了解不同白酒之間的差異。主成分分析是一種常用的多元統(tǒng)計分析方法,它通過多元變量降維,使得研究者可以直觀的了解樣品差異。圖8為對6個白酒樣品的風(fēng)味成分進行主成分分析的得分圖,從PCA得分圖可觀察到不同發(fā)酵條件下原酒樣品間的離散程度、聚集程度。樣品在PCA得分圖上的分布點越靠近, 表明這些原酒樣品中所含有的風(fēng)味成分組成和濃度越相近[11]。如圖8所示第1主成分PCA1和第2主成分PCA2可以解釋68.13%的原變量信息,3種不同發(fā)酵條件生產(chǎn)的原酒可以在PCA得分圖的PCA1維上明顯區(qū)分,也就是組間和組內(nèi)聚集很好的分開[12]。6個不同樣本可以分為3類:20 ℃控溫發(fā)酵原酒,25 ℃控溫發(fā)酵原酒,實際生產(chǎn)發(fā)酵原酒,這說明3種不同發(fā)酵條件生產(chǎn)的原酒在風(fēng)味成分上存在顯著不同,即白酒發(fā)酵過程的發(fā)酵溫度可以顯著影響原酒風(fēng)味成分的組成和含量。

      圖7 原酒中風(fēng)味物質(zhì)的對比Fig.7 Base liquor flavor substances in contrast

      F20-20℃控溫發(fā)酵樣品;F25-25℃控溫發(fā)酵樣品;FC-實際生產(chǎn)樣品圖8 PCA分析3種不同發(fā)酵條件所得原酒樣品的得分圖Fig.8 PCA analysis of three different fermentation conditions of wine sample score of income

      3小結(jié)

      通過比較實際生產(chǎn)和實驗室白酒發(fā)酵時酒醅溫度變化發(fā)現(xiàn)體積較小的實驗室發(fā)酵缸內(nèi)部溫度差較小,酒醅溫度可以認(rèn)為接近均勻,但實際生產(chǎn)的地缸內(nèi)部存在較高溫度差,應(yīng)將其認(rèn)定為參數(shù)分布系統(tǒng)。

      比較不同控溫模式白酒發(fā)酵過程的酒醅理化性質(zhì)發(fā)現(xiàn),控溫模式對理化性質(zhì)影響較大,并且可以通過理化性質(zhì)變化的不同初步推斷酒醅溫度對發(fā)酵過程中不同微生物的生長和代謝產(chǎn)生重要的影響,也對酒醅淀粉的糖化速率產(chǎn)生影響,因此,酒醅溫度的變化對白酒發(fā)酵有重要的決定作用,需要進一步深入研究,以便在更精確的定量水平上了解溫度對白酒發(fā)酵的影響,為實現(xiàn)人工控制發(fā)酵過程酒醅溫度,優(yōu)化白酒發(fā)酵過程奠定基礎(chǔ)。

      通過對發(fā)酵所得原酒風(fēng)味成分的測定及多元統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),3種原酒的風(fēng)味成分有明顯的區(qū)別,通過主成分分析表明3種原酒在總體上也差別顯著,可以顯著區(qū)分。

      根據(jù)上述研究結(jié)果可以認(rèn)定,白酒發(fā)酵是一種較為復(fù)雜的過程,酒醅溫度對最終原酒的影響是多方面的,對白酒發(fā)酵過程酒醅溫度的控制不僅涉及到溫度變化的模式,還極可能涉及溫度分布的影響。

      4探討

      通過本研究發(fā)現(xiàn)白酒釀造過程的溫度變化相對比較復(fù)雜,對白酒的品質(zhì)也有重要影響,透徹的了解其中的關(guān)鍵和機理還需進行更深的研究,包括從傳熱、微生物的生長及代謝、過程控制方式等多方面綜合探索。

      控溫發(fā)酵是白酒生產(chǎn)從傳統(tǒng)方式向機械化轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵技術(shù)之一,只有在深入了解其過程機理的前提下才能將傳統(tǒng)發(fā)酵的深刻內(nèi)涵有效的轉(zhuǎn)移到機械化進程中。因此,進行這方面的研究是必要的。

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      The effect of temperature control on the fermentation process of Fen-flavor liquor

      CHEN Bing-you1, HAN Ying2,ZHANG Xin2,YANG Yu2,WAN Qing-hui1,CHEN Jian-xin1*

      1(National Engineering Laboratory for Cereal Fermentation Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)2 (Shanxi Xinghuacunfenjiu Distillery Co.,Ltd.,Fenyang 032205,China)

      ABSTRACTTemperature control of fermented grains liquor production is one of the key technologies in the transition from traditional way to mechanical way. Based on traditional fermentation the fermentation process of Fen-flavor liquor was simulated under the condition of laboratory, and the temperature of the fermentation process was controlled. By comparing the change mode of physicochemical properties of fermented grains during fermentation and the flavor ingredients of base liquor fermentation, it was found that the temperature and the variation pattern of fermented grains have a significant impact on the growth and metabolism of microbial communities. Results showed that, temperature was uneven in cylinder and there was temperature field during the actual production. Determination of the physicochemical properties of fermented grains at different positions of ground-pot showed that the temperature field in the ground-pot had influence on liquor fermentation. The temperature control of fermented liquor during fermentation process should be based on further researches.

      Key wordsfen flavor liquor;constant temperature fermentation;physicochemical properties;heat map;PCA

      DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201606008

      收稿日期:2016-01-19,改回日期:2016-02-17

      第一作者:碩士研究生(陳建新高級工程師為通訊作者,E-mail:jxchen@jiangnan.edu.cn)。

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