劉 浩,任貴興*
(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 作物科學(xué)研究所,北京 100081)
燕麥(Avena sativaL.)又名莜麥,為禾本科(Gram-ineae)、早熟禾亞科(Pooideae)、燕麥屬(Avena),一年生草本植物,是古老的飼草、飼料及糧食作物[1-2]。按照外稃的性狀可分為有稃型的皮燕麥與無稃型的裸燕麥兩類,我國以種植裸燕麥為主。燕麥籽粒食用為主,通常認為裸燕麥的營養(yǎng)價值比皮燕麥更高[3]。燕麥是營養(yǎng)與醫(yī)療保健價值較高的谷物,蛋白質(zhì)含量很高,富含可溶性膳食纖維、β-葡聚糖、酚酸、蒽酰胺(avenanthramides)、類黃酮、維生素E等化合物[4]。如此豐富的營養(yǎng)與功能成分使得燕麥及其制品有多種生物活性,如降血脂[5]、降血糖[6]、抗氧化[7]、免疫增強[8]等。燕麥食用加工歷史悠久,主要是以燕麥谷物早餐等形式出現(xiàn)[1]。在我國,大部分燕麥用于制粉,進而制作燕麥傳統(tǒng)食品(如莜面、栲栳栳)、燕麥面包與餅干[9]等。近年來含有或使用燕麥作為主要原料制作的谷物飲料、豆?jié){、酸奶等飲品也有出現(xiàn)[10-12]。
黃酒釀造歷史悠久,傳統(tǒng)釀造工藝歷經(jīng)幾千年的不斷改進和完善已達到很高的水平,但仍然存在生產(chǎn)周期長、原料利用率不高、人工勞動強度大等缺點。黃酒釀造新工藝在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上進行改進。液化法是黃酒釀造新工藝的其中一種,基本過程是將原料粉碎后使用酶制劑和微生物進行液化、糖化、發(fā)酵,該工藝對于原料的選擇范圍更廣、利用率更高,此外還具有醪液流動性可控、易于機械化生產(chǎn)等優(yōu)點[13-14]。液化法用于雜糧酒釀造已有相關(guān)報道,如苦蕎酒[15]、薏米酒[16]、紫薯酒[17]等。
本研究以炒制并磨碎的裸燕麥為原料,以葡萄糖當量值、還原糖含量、固形物含量等作為綜合評價指標,通過單因素試驗與正交試驗對液化法釀造燕麥黃酒的液化、糖化、主發(fā)酵工藝條件進行優(yōu)化,旨在為燕麥黃酒的工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。
裸燕麥:取自河北省張家口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院;耐高溫α-淀粉酶(40 000 U/g)、糖化酶(100 000 U/g)均為食品級:江蘇瑞陽生物科技有限公司;黃酒活性干酵母、甜酒曲:安琪酵母股份有限公司;氫氧化鈉、酒石酸鉀鈉均為分析純:西隴化工股份有限公司;3,5-二硝基水楊酸(3,5-dinitrosalicylic acid,DNS)、無水亞硫酸鈉(分析純):國藥集團化學(xué)試劑有限公司;重蒸酚、葡萄糖(分析純):上海Sigma-Aldrich公司。
GTJ-368滾筒式電加熱炒貨機:青島德維機械制造有限公司;WK-400A試驗室小型高速粉碎機:山東青州精誠機械有限公司;PB602電子天平(感量0.01 g)、PB203電子天平(感量0.001 g):METTLER TOLEDO集團;3FG-01B電熱恒溫干燥箱:湖北省黃石市醫(yī)療器械廠;TD25-WS多管架自動平衡離心機:湘儀離心機儀器有限公司;4802UV/VIS分光光度計:尤尼柯(上海)儀器有限公司;RP-300B人工氣候箱:中國南京恒裕電子儀器廠。
1.3.1 分析方法
還原糖的測定采用DNS法[18]:待測液4 500 r/min離心5 min,取上清液稀釋至適宜倍數(shù)待測;葡萄糖標準曲線的制備,配制不同葡萄糖含量的反應(yīng)液,再加入3,5-二硝基水楊酸(DNS)試劑3.5 mL,輕搖混勻,沸水浴10 min顯色,冷卻后用純凈水定容至20 mL,顛倒混勻。在波長540 nm處比色,以去離子水為空白,測出各管的吸光度值。以吸光度值為縱坐標,葡萄糖含量為橫坐標,繪制葡萄糖標準曲線,得到回歸方程,計算還原糖含量。
固形物含量的測定參照GB/T 13662—2008《黃酒》中總固形物的測定方法執(zhí)行,略有改動。吸取稀釋至合適倍數(shù)的試樣5 mL于已知干燥至質(zhì)量恒定的蒸發(fā)皿中,放入(103±2)℃的電熱干燥箱中烘干4 h,取出稱質(zhì)量(g),按照下式計算固形物含量。
葡萄糖當量值(dextrose equivalent,DE)值[19]的計算公式:
酒精度、非糖固形物、總糖、總酸、氨基酸態(tài)氮、pH值、氧化鈣、β-苯乙醇、鉛、微生物含量的測定均按照GB/T 13662—2008《黃酒》中的測定方法執(zhí)行。
1.3.2 傳統(tǒng)方法與液化方法釀造燕麥黃酒對比試驗設(shè)計
分別采用北方黃酒傳統(tǒng)釀造工藝與液化工藝進行初步試驗,選取籽粒飽滿、無霉變、無蟲蛀的燕麥,除去雜質(zhì),潤麥調(diào)節(jié)水分至25%,平衡12 h。在200~220 ℃炒制20 min,冷卻干燥12 h。粉碎機粉碎過40目標準篩,備用。
傳統(tǒng)工藝:
炒制燕麥米→浸米12 h→蒸煮→接種→30 ℃前酵→16 ℃后酵→壓榨→酒樣
液化工藝:
炒制燕麥米→粉碎→加水混勻→耐高溫α-淀粉酶液化→糖化酶糖化→接種→30 ℃前酵→16 ℃后酵→壓榨→酒樣。
兩種釀造方法的加水量一致,前發(fā)酵每隔12 h 測定一次相對失質(zhì)量(測定前充分攪拌醪液使氣體散出,相對失質(zhì)量為醪液初始質(zhì)量減去時間節(jié)點時的測定質(zhì)量),并測定壓榨后酒樣的酒精度、總糖含量與固形物含量。
1.3.3 燕麥黃酒液化與糖化工藝優(yōu)化試驗設(shè)計
液化醪液的DE值控制一般在15%~20%[19-20]。液化DE值低,料液易老化、黏度大、難于操作,也不利于糖化;液化程度過高不利于糖化過程酶與底物形成絡(luò)合結(jié)構(gòu),影響催化效率。
液化時間對液化程度的影響,分別稱取經(jīng)過預(yù)處理的燕麥粉,料水比1∶3.5混勻,依照酶活與燕麥粉質(zhì)量之比5 U/g的量加入耐高溫α-淀粉酶,混勻后升溫至95 ℃分別液化10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min,稀釋后4 500 r/min離心取上清液,測定還原糖含量與固形物含量,計算DE值。耐高溫α-淀粉酶添加量對液化程度的影響試驗,酶活與燕麥粉質(zhì)量之比分別為3 U/g、4 U/g、5 U/g、6 U/g、8 U/g、10 U/g。液化溫度對液化程度的影響試驗,溫度分別為80 ℃、85 ℃、90 ℃、95 ℃、100 ℃。
根據(jù)單因素試驗所得結(jié)果選擇合適的水平范圍,使用L9(34)正交表,以DE值為指標設(shè)計3因素3水平的正交試驗確定最優(yōu)條件組合。
1.3.4 燕麥黃酒糖化工藝優(yōu)化試驗設(shè)計
時間對糖化效果的影響:依照酶活與燕麥粉質(zhì)量之比80 U/g的量加入糖化酶,混勻,60 ℃分別糖化30 min、60 min、90 min、120 min、150 min、180 min、210 min、240 min,稀釋后4 500 r/min離心取上清液,測定還原糖含量與固形物含量,計算DE值。糖化酶添加量對糖化效果的影響:酶活與燕麥粉質(zhì)量之比分別按50 U/g、60 U/g、70 U/g、80 U/g、90 U/g、100 U/g、110 U/g的量加入糖化酶。溫度對糖化效果的影響:溫度分別為40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃、65 ℃、70 ℃、75 ℃。正交試驗設(shè)計同液化工藝優(yōu)化。
1.3.5 燕麥黃酒主發(fā)酵工藝優(yōu)化試驗設(shè)計
據(jù)相關(guān)文獻報道,主發(fā)酵時間多集中于3 d[15-17],本試驗適當延長發(fā)酵時間至5 d,以消耗更多的糖分并促進香氣成分的產(chǎn)生。
調(diào)整燕麥粉與水的質(zhì)量之比1∶2.5、1∶3.0、1∶3.5、1∶4.0、1∶4.5,接種酵母量為燕麥粉質(zhì)量的0.15%,30 ℃分別發(fā)酵5 d,醪液4 500 r/min離心取上清液,測定酒精度。酵母接種量對主發(fā)酵結(jié)果的影響:接種酵母量為燕麥粉質(zhì)量的0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%。溫度對主發(fā)酵結(jié)果的影響:發(fā)酵溫度為25 ℃、27 ℃、30 ℃、33 ℃、35 ℃。在單因素試驗基礎(chǔ)上,使用L9(34)正交表,以酒精度為指標設(shè)計正交試驗確定最優(yōu)條件組合。
1.3.6 數(shù)據(jù)處理方法
測定試驗均重復(fù)兩次,結(jié)果為平均值的方式表示。使用OEA3.1軟件進行正交試驗設(shè)計,SAS 9.1進行數(shù)據(jù)處理。
圖1 傳統(tǒng)方法與液化方法的發(fā)酵曲線Fig.1 Fermentation curves of traditional method and liquefaction method
前發(fā)酵過程中醪液的相對失質(zhì)量測定結(jié)果見圖1,醪液的相對失質(zhì)量能表征發(fā)酵的速度與最終原料利用率。由圖1可以看出,液化法起初的發(fā)酵速度較慢,這可能是因為前處理過程中淀粉糖化、液化程度較高,使得醪液糖度較高,對發(fā)酵母增殖起到抑制作用。但抑制作用解除后,液化發(fā)酵速率明顯加快(圖1中段),且高于傳統(tǒng)方法。從終點的相對失質(zhì)量來看,液化法釀造對原料的利用率要比傳統(tǒng)方法高。同時對兩種方法得到的酒樣測定結(jié)果表明,液化法酒樣的酒精度(12.6±0.1)%vol與總固形物(52.8±2.0)g/L含量明顯高于傳統(tǒng)方法(11.1±0.3)%vol,(47.0±0.8)g/L,但液化法酒樣總糖含量(19.6±0.3)g/L卻低于傳統(tǒng)方法(23.7±0.4)g/L,這說明液化法釀造黃酒有更高的原料利用率。
2.2.1 液化時間對液化程度的影響
液化時間對液化程度的影響結(jié)果見圖2。由圖2可知,液化開始時首先是淀粉酶分解直鏈淀粉產(chǎn)生寡糖,此酶促反應(yīng)速度較快。而后淀粉酶作用于支鏈淀粉,同時使得部分寡糖水解,但此時酶解產(chǎn)物的積累與1,6-糖苷鍵相對比例的增大會使得酶促反應(yīng)速度下降[21]。由圖2可以看出,還原糖含量的增加速度比干物質(zhì)含量增加的速度要快,30 min時DE值達到最大,但是此時的還原糖含量卻沒有達到最大值。而當40 min以后DE值雖稍有降低,但還原糖的含量平穩(wěn),干物質(zhì)量略有升高。因此選擇30~50 min作為較優(yōu)液化時間。
圖2 液化時間對液化程度的影響Fig.2 Effect of time on liquefaction degree
2.2.2 耐高溫α-淀粉酶添加量對液化程度的影響
耐高溫α-淀粉酶添加量對液化程度的影響結(jié)果見圖3。由圖3可知,在酶促反應(yīng)中,底物濃度足夠高時,酶促反應(yīng)速度隨著酶添加量的增加而提高[22]。由圖3可知,隨著酶添加量的增大,還原糖與干物質(zhì)含量均有升高。當液化醪液化程度(DE值)控制在15%~20%時,利于后續(xù)液化與發(fā)酵。酶添加量>5 U/g時,DE值上升過快,不利于生產(chǎn)控制。因此選擇3~5 U/g作為較優(yōu)淀粉酶添加量。
圖3 耐高溫α-淀粉酶酶添加量對液化程度的影響Fig.3 Effect of thermostable α-amylase addition on liquefaction degree
2.2.3 液化溫度對液化程度的影響
液化溫度對液化程度的影響見圖4。由圖4可知,在一定溫度內(nèi),酶促反應(yīng)速度隨溫度的升高而增快,至最適反應(yīng)溫度后,繼續(xù)升高溫度會造成部分酶的失活,使反應(yīng)速度下降[22]。由圖4可知,在溫度>95 ℃后還原糖含量有所降低;但干物質(zhì)含量隨著溫度的升高而增大;在95 ℃時DE值最高,因此得到最適液化溫度為90~100 ℃。
圖4 溫度對液化程度的影響Fig.4 Effect of temperature on liquefaction degree
2.2.4 液化條件正交試驗優(yōu)化
根據(jù)單因素試驗所得結(jié)果選擇合適的水平范圍,使用L9(34)正交表,以DE值為指標設(shè)計正交試驗確定最優(yōu)液化條件組合。其試驗設(shè)計與結(jié)果見表1,方差分析見表2。
表1 液化條件優(yōu)化正交試驗設(shè)計與結(jié)果Table 1 Design and results of orthogonal test for liquefaction conditions optimization
由表1與表2可以看出,液化條件對于液化程度的影響均顯著(P<0.05),主次順序為酶添加量>溫度>時間。由正交試驗得到的最佳組合為A2B3C2。即液化溫度95 ℃、液化酶添加量5 U/g、液化時間40 min,在此條件下進行驗證試驗,DE值為21.96%。
表2 液化正交試驗結(jié)果方差分析Table 2 Variance analysis of liquefaction orthogonal tests results
2.3.1 糖化時間對糖化程度的影響
糖化時間對糖化效果的影響見圖5。由圖5可知,150 min之前糖化醪的還原糖含量隨時間的推移而升高,在150 min后變化不大,趨于平緩,180 min后基本達到穩(wěn)定。DE值的變化趨勢與之類似。為保證糖化質(zhì)量,選取120~180 min作為較優(yōu)糖化時間。
圖5 糖化時間對糖化效果的影響Fig.5 Effect of time on the saccharification
2.3.2 糖化酶添加量對糖化程度的影響
圖6 糖化酶添加量對糖化效果的影響Fig.6 Effect of glucoamylase addition on the saccharification
糖化酶添加量對糖化程度的影響見圖6。由圖6可知,底物濃度足夠高時,酶促反應(yīng)速度與酶添加量存在正相關(guān)關(guān)系。糖化酶添加量為110 U/g時,與糖化酶添加量100 U/g時相比,DE值略有升高但還原糖含量沒有明顯差異,同時兼顧成本因素,確定80~100 U/g為較優(yōu)糖化酶添加量。
2.3.3 溫度對糖化程度的影響
溫度對糖化程度的影響見圖7。溫度能顯著影響酶促反應(yīng),在適宜的溫度范圍內(nèi),酶促反應(yīng)隨著溫度的升高加快,至最適反應(yīng)溫度時到達最快。若溫度繼續(xù)升高,會導(dǎo)致酶失活,使得酶促反應(yīng)速度降低。由圖7可知,還原糖含量、干物質(zhì)含量與DE值在溫度≤65 ℃范圍內(nèi)逐漸升高,但>65 ℃后糖化酶失活嚴重,三個指標均降低,均因此確定最適反應(yīng)溫度為60~70 ℃。
圖7 糖化溫度對糖化效果的影響Fig.7 Effect of temperature on saccharification
2.3.4 糖化條件優(yōu)化正交試驗
表3 糖化條件優(yōu)化正交試驗設(shè)計與結(jié)果Table 3 Design and results of orthogonal test for saccharification conditions optimization
根據(jù)單因素試驗所得結(jié)果選擇合適的水平范圍,使用L9(34)正交表,以DE值為指標設(shè)計正交試驗確定最優(yōu)糖化條件組合。試驗設(shè)計與結(jié)果見表3,方差分析見表4。
表4 糖化條件正交試驗結(jié)果方差分析Table 4 Variance analysis of saccharification orthogonal tests results
由表3、表4可以看出,糖化條件對糖化程度均有極顯著的影響(P<0.01),主次順序為溫度>糖化酶添加量>時間。由正交試驗直觀分析得到的最佳組合為A2B3C3。即溫度65 ℃,糖化酶添加量100 U/g,時間180 min,此時DE值為77.21%。
圖8 料液比(A)、酵母接種量(B)與發(fā)酵溫度(C)對酒精度的影響Fig.8 Effect of material to water ratio(A),yeast inoculum(B) and fermentation temperature(C) on alcohol content
2.4.1 主發(fā)酵條件優(yōu)化單因素試驗
主發(fā)酵條件優(yōu)化單因素試驗結(jié)果見圖8。隨著料液比、酵母接種量和溫度的增加,酒精度均呈先上升后下降的趨勢。由圖8可知,料液比對醪液酒精度有明顯影響。加水量較少時,酒精度較低,是因為發(fā)酵程度不夠,原料未得到充分利用,酒精轉(zhuǎn)化效率低。加水量較多時,由于稀釋作用,酒精度也很低,因此確定最佳料液比為1∶3.5;酵母接種量對酒精度的影響極為明顯。酵母接種量較少,原料不能充分發(fā)酵;酵母接種量過大則會使得酵母繁殖過快,將部分糖用于自身生長,使酒精度偏低,因此確定最佳酵母接種量為0.25%;當溫度較低時,酵母代謝與繁殖均會很慢。當溫度很高時,酵母代謝與繁殖速率過快,這會導(dǎo)致酵母老化。因此確定最佳主發(fā)酵溫度為30 ℃。
2.4.2 主發(fā)酵條件優(yōu)化正交試驗結(jié)果
根據(jù)單因素試驗所得結(jié)果,以酒精度為指標設(shè)計正交試驗確定主發(fā)酵最優(yōu)條件組合。試驗設(shè)計與結(jié)果見表5,方差分析見表6。
表5 主發(fā)酵條件優(yōu)化正交試驗設(shè)計與結(jié)果Table 5 Design and results of orthogonal test for main fermentation conditions optimization
表6 主發(fā)酵條件正交試驗結(jié)果方差分析Table 6 Variance analysis of main fermentation orthogonal tests result
由表5、表6可以看出,料液比、酵母接種量與發(fā)酵溫度對酒精度均影響顯著(P<0.05),其中料液比和酵母接種量達到了極顯著水平(P<0.01),影響大小順序為料液比>酵母添加量>溫度。分析得到最佳條件組合為A2B2C2,即料液比1∶3.5、酵母添加量0.25%、發(fā)酵溫度30 ℃,在此條件下進行驗證試驗,酒精度為9.2%vol,發(fā)酵結(jié)束后的殘?zhí)橇繛?0.19 mg/mL。
最佳釀造工藝條件下,再經(jīng)過16 ℃、30 d的后發(fā)酵,壓榨得到的燕麥黃酒呈橙黃色,清亮透明,口味醇和爽口,但有區(qū)別于普通稻米黃酒的燕麥發(fā)酵特殊香氣。具體品質(zhì)指標測定結(jié)果及國標范圍見表7。由表7可知,在最佳工藝條件下,黃酒酒樣分析結(jié)果符合國家標準的各項要求。
表7 最佳工藝條件下燕麥黃酒品質(zhì)指標Table 7 Basic quality indicators of Chinese oat rice wine under the optimal conditions
通過單因素與正交試驗確定了燕麥黃酒的最佳工藝條件,即最佳液化工藝條件為耐高溫α-淀粉酶添加量為5 U/g、液化溫度95 ℃、液化時間40 min;最佳糖化條件為糖化酶添加量100 U/g、糖化溫度65 ℃、糖化時間180 min;最佳主發(fā)酵工藝條件為料液比1∶3.5、發(fā)酵溫度30 ℃、酵母添加量為0.25%、發(fā)酵時間5 d。在此條件下,16 ℃穩(wěn)定30 d后得到燕麥黃酒。酒樣分析結(jié)果符合國家標準的各項要求。本研究及結(jié)果可為燕麥黃酒工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。
[1]周素梅,申瑞玲.燕麥的營養(yǎng)及其加工利用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.
[2]XU J G,TIAN C R,HU Q P,et al.Dynamic changes in phenolic compounds and antioxidant activity in oats (Avena nudaL.) during steeping and germination[J].J Agr Food Chem,2009,57(21):10392-10398.
[3]BIEL W,BOBKO K,MACIOROWSKI R.Chemical composition and nutritive value of husked and naked oats grain[J].J Cereal Sci,2009,49(3):413-418.
[4]SINGH R,DE S,BELKHEIR A.Avena sativa(Oat),a potential neutraceutical and therapeutic agent:an overview[J].Criti Rev Food Sci Nutr,2013,53(2):126-144.
[5]TRUSWELL A S.Cereal grains and coronary heart disease[J].Eur J Clin Nutr,2002,56(1):1-14.
[6]TAPPY L,GüGOLZ E,WüRSCH P.Effects of breakfast cereals containing various amounts ofβ-glucan fibers on plasma glucose and insulin responses in NIDDM subjects[J].Diabetes care,1996,19(8):831-834.
[7]XU W,ZHANG Z W,WU B,et al.Genetic diversity in naked oat(Avena nuda)germplasm revealed by AFLP markers[J].Acta Agronomica Sinica,2009,35(12):2205-2212.
[8]BOISNIC S,BRANCHET M C,ERMOSILLA V.Healing effect of a spray containing Rhealba oat colloidal extract in an in vitro reconstitution model of skin[J].Int J Tissue React,2004,27(3):83-89.
[9]胡新中.燕麥食品加工及功能特性研究進展[J].麥類作物學(xué)報,2005,25(5):122-124.
[10]任長忠,胡新中.中國燕麥產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告2010[M].西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社,2011.
[11]汪建國,沈玉根,黃炎遠,等.燕麥紅曲黃酒的研制[J].中國釀造,2013,32(2):152-154.
[12]涂 璐,王愛莉,李再貴.燕麥紅曲黃酒多酚含量及抗氧化性研究[J].中國釀造,2012,31(1):43-45.
[13]謝廣發(fā).黃酒釀造技術(shù)[M].北京:中國輕工業(yè)出版社,2010.
[14]王 梅,趙光鰲,帥桂蘭,等.液化法釀造黃酒的研究[J].釀酒,2003,29(2):93-95.
[15]陳佳昕,趙曉娟,吳 均,等.液態(tài)法苦蕎酒工藝條件的優(yōu)化[J].食品科學(xué),2013,34(20):180-192.
[16]郭克娜,姜璐璐,闞建全.薏米酒發(fā)酵前淀粉液化及糖化條件的優(yōu)化[J].食品科學(xué),2013,34(5):197-201.
[17]楊雅利,闞建全,沈海亮,等.紫甘薯酒發(fā)酵工藝條件的優(yōu)化[J].食品科學(xué),2012,33(3):157-162.
[18]韓德權(quán),章佳佳.DNS 法在普魯蘭多糖發(fā)酵液中糖測定的研究[J].食品工業(yè)科技,2008(2):285-286.
[19]吳秀媛.啤酒釀造過程所用輔料大米糊化,液化工藝研究[J].啤酒科技,2006(4):55-56.
[20]顏懷偉.大米直接磨漿酶液化酸糖化主發(fā)酵提取酒精生產(chǎn)燃料酒精方法:中國,CN1958804 B[P].2010-06-23.
[21]張國權(quán),史一一,魏益民,等.蕎麥淀粉耐高溫α-淀粉酶液化工藝條件研究[J].中國糧油學(xué)報,2009,23(3):73-77.
[22]郭 勇.酶工程[M].北京:科學(xué)出版社,2009.