鄭瑞龍，索婧怡，鈕成拓，鄭飛云，易崇華，圣弟青，王金晶，李崎，劉春鳳*

1(工業(yè)生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))，江蘇 無錫，214122)2(江南大學(xué)，釀酒科學(xué)與工程研究室，江蘇 無錫，214122)3(江南大學(xué) 生物工程學(xué)院，江蘇 無錫，214122)

紫米、黑米是一種富含氨基酸、微量元素和花色苷的有色米種，具有抗癌、抗過敏、抗肥胖和預(yù)防動(dòng)脈硬化、心血管疾病等功效。但是，目前紫米、黑米主要以稻米的形式作為口糧，存在附加值低、營養(yǎng)價(jià)值不能被高效利用等問題。由于獨(dú)特的外觀與口感、豐富的營養(yǎng)價(jià)值和生物活性功能，紫米、黑米逐漸受到廣大釀酒師的青睞，在黃酒、啤酒等飲料酒的釀造過程中已有一定的應(yīng)用。本文從種皮色素研究、營養(yǎng)成分和功能活性方面介紹了紫米、黑米在國內(nèi)外的研究進(jìn)展，并對(duì)近年來紫(黑)米在釀酒行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)地綜述，分析紫米系列酒精飲品的特色和存在的問題。為這類特種有色稻米在釀酒工業(yè)中的進(jìn)一步應(yīng)用提供了參考依據(jù)，對(duì)釀酒工業(yè)的發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。

1 紫(黑)米簡介

水稻(OryzasativaL.)是全世界最重要的谷物作物之一，2017年全球水稻產(chǎn)量為7.70 億t，同年中國水稻產(chǎn)量為2.14億t。我國水稻種植歷史悠久，早在7 000年前中國長江流域的先民就已開始種植水稻。有色水稻在野生稻(Oryzarufipogon)中廣泛存在，并一度因?yàn)橐茁淞?、種子萌發(fā)率低等問題逐漸被人們淘汰。但由于具有豐富的營養(yǎng)價(jià)值，并且隨著育種技術(shù)的提高，優(yōu)良的有色水稻品種得以推廣，一些米皮偏紫,甚至偏黑的有色米種逐漸被人們關(guān)注。

紫(黑)米屬于水稻中的特殊品種，其中紫米屬糯米類，黑米可分為糯性米和非糯性米。由于國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)兩者色素物質(zhì)及營養(yǎng)價(jià)值等研究中并未做明顯區(qū)分，本文綜合相關(guān)研究進(jìn)行綜述。

1.1 紫(黑)米的種皮色素研究

紫(黑)米果皮顏色根據(jù)品種不同深淺不一，主要呈現(xiàn)紫黑色、紫色和淺紫色等。紫色的種皮主要是由于花色苷積累造成，加強(qiáng)對(duì)種皮色素物質(zhì)的遺傳性狀研究，可有效培育優(yōu)質(zhì)紫米種質(zhì)。NAGAO等[1]發(fā)現(xiàn)花色苷顏色的出現(xiàn)取決于產(chǎn)生色原的基因C、起激活作用的基因A和組織特異性調(diào)節(jié)基因P。紫米種皮的色素沉積由Prp-b和Prp-a基因共同控制，當(dāng)兩者同時(shí)存在時(shí)種皮呈紫色，Prp-a單獨(dú)存在種皮呈無色，Prp-b單獨(dú)存在種皮呈棕色[2-4]。HIROAKI等[5]進(jìn)一步對(duì)比黑米與白米品種，發(fā)現(xiàn)了3種與黑色種皮顏色積累相關(guān)的基因并命名為：Kala1、Kala3和Kala4，并認(rèn)為Kala1與之前報(bào)道的Prp-b基因、Rd基因和A基因可能為等位基因，Kala4基因編碼bHLH轉(zhuǎn)錄因子[6-7]。WANG等[8]證實(shí)bHLH家族蛋白可參與花色苷和黃酮醇的生物合成途徑。目前，已經(jīng)報(bào)道的和紫(黑)米種皮色素沉積相關(guān)的蛋白有花色苷合成酶(EC 1.14.20.4)、查爾酮合成酶(EC 2.3.1.74)、黃烷酮-3-羥化酶(EC 1.14.11.9)和二氫黃酮醇-4-還原酶(EC 1.1.1.219)等[9-10]。

紫(黑)米種皮色素的形成除了與相關(guān)基因的表達(dá)、相互作用之外，與環(huán)境也有很大的關(guān)系，低溫往往會(huì)使黑米著色程度加深[2]。紫米種皮色素物質(zhì)含量已被證實(shí)與紫米香味性狀有一定聯(lián)系，且和紫米中離子含量(如Fe2+和 Mg2+)呈正相關(guān)[11]。結(jié)合遺傳性狀和培養(yǎng)、貯藏條件對(duì)種皮色素物質(zhì)的影響，可目的性地選育適用于食品釀造行業(yè)的適宜色素含量的紫米或黑米品種。

1.2 紫(黑)米中的主要營養(yǎng)物質(zhì)

淀粉是紫(黑)米以及所有水稻最主要的營養(yǎng)成分，包括低分子質(zhì)量(105～106)的線性直鏈淀粉和高分子質(zhì)量(107～108)的支鏈淀粉[12]。糯米中的直鏈淀粉含量<2%，作為釀酒原料可有效提高出酒率。墨江紫米標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其直鏈淀粉(干基)含量≤3.5%，低直鏈淀粉使得紫(黑)米糊化產(chǎn)物黏性更好，在釀造過程中，糊化后更易被淀粉酶水解成小分子的單糖和糊精[13]，一定量的糊精作為口感物質(zhì)可提高酒體醇厚度。

不同米種營養(yǎng)成分含量見表1。蛋白質(zhì)在水稻中的含量僅次于淀粉。紫(黑)米中的蛋白質(zhì)和必需氨基酸含量均高于普通稻米，其中，氨基酸含量高于普通稻米46%～66%，必需氨基酸含量高于普通稻米25%左右[14]。天冬氨酸、谷氨酸和天冬酰胺為紫(黑)米中的主要氨基酸[13]。黑米中的蛋白可根據(jù)溶解性進(jìn)行分類，主要為谷蛋白(溶于堿性溶液)、醇溶蛋白(溶于乙醇)、球蛋白(溶于鹽溶液)和白蛋白(溶于水)，分別占總蛋白質(zhì)的60%、25%、10%和5%。在釀造過程中，較高的蛋白質(zhì)含量在一定程度上提高了氨基酸含量，增加香氣物質(zhì)的合成，同時(shí)，為提高啤酒泡沫蛋白提供物質(zhì)基礎(chǔ)，相對(duì)較少的水溶性蛋白使其在釀造過程中蛋白不易溶解，釀造所得啤酒表面疏水性降低，泡沫穩(wěn)定性得以提升[15]。在黃酒釀造中則有助于延長酒齡。但蛋白質(zhì)含量過高會(huì)導(dǎo)致酒中異味增加，當(dāng)使用紫(黑)米作為釀酒原輔料時(shí)，可考慮添加一定量蛋白酶或在啤酒糖化工藝中延長蛋白休止時(shí)間使蛋白質(zhì)充分降解。

表1 不同米種營養(yǎng)成分含量[17]Table 1 Nutritional content in different kinds of rice

紫(黑)米相較于普通白米除蛋白質(zhì)、氨基酸以外，其有機(jī)酸、脂肪酸甲酯的含量更高[16]。紫(黑)米的主要脂肪酸為油酸、亞油酸和棕櫚酸，這些脂肪酸占總脂肪酸的90%[17]。亞油酸作為人體必需脂肪酸雖有著改善高血壓等功效，但脂肪酸含量過高，影響著原料和成品酒的儲(chǔ)藏，一定程度上提高了酒體老化風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)根據(jù)需要進(jìn)行合理控制。除此之外，紫(黑)米中鉀(K)、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鐵(Fe)、鋅(Zn)、錳(Mn)和磷(P)等元素的含量均高于白米[13]，在釀造過程中，微量元素對(duì)微生物的生長與代謝有重要影響，如在麥芽汁中添加Fe2+、Zn2+和Mn2+可降低啤酒中雙乙酰的含量，保證啤酒風(fēng)味。

1.3 紫(黑)米花色苷及其功能

除營養(yǎng)物質(zhì)外，紫(黑)米中的多酚類活性物質(zhì)的含量也普遍高于白米(表2)。其中，花色苷是紫(黑)米中含量最多的多酚類化合物，主要存在于稻谷果皮中[20]?；ㄉ帐且环N水溶性黃酮類化合物，由2個(gè)芳香環(huán)通過含氧的三碳雜環(huán)連接形成(圖1)，能夠賦予水果、蔬菜和谷物等紅色、藍(lán)色和紫色等顏色[20]。目前，已經(jīng)報(bào)道的黑米中的花色苷組分有矢車菊素-3-葡萄糖苷、芍藥素-3-葡萄糖苷、矢車菊素-3-二葡萄糖苷、矮牽牛素-3-葡萄糖苷、錦葵素和飛燕草素[21-23]，矢車菊素-3-葡萄糖苷含量占總量的59.3%～82%[24]?；ㄉ找蚓哂形说念伾土己玫乃苄?，常被用于生產(chǎn)天然染料或天然色素，在食品、化妝品和醫(yī)藥等行業(yè)都有廣泛應(yīng)用[20,25-26]。

表2 不同品種黑米與白米主要活性物質(zhì)含量[27] 單位：mg/100 g干重

圖1 花色苷的化學(xué)結(jié)構(gòu)[21-23]Fig.1 Chemical structures of anthocyanins注：矢車菊素(cyanidin)：R1-OH, R2-H；芍藥素(peonidin)：R1-OCH3, R2-H；矮牽牛素(petunidim)：R1-OH, R2-OH3；錦葵素(malvidin)：R1-OCH3, R2-OCH3；花葵素(pelargonidin)：R1-H, R2-H；飛燕草素(delphinidin)：R1-OH, R2-OH

此外，花色苷具有多種生物活性功能，可以通過自身還原機(jī)制，清除自由基，穩(wěn)定單線態(tài)氧，能夠抗癌、抗炎、抗過敏、抗糖尿病、抗肥胖、抵御認(rèn)知能力下降和預(yù)防動(dòng)脈粥樣硬化、心血管疾病[21]。利用富含花色苷的紫(黑)米制作的釀造酒，不僅具有吸引人的外觀，還具有多種生理活性功能和保健作用，這使得紫(黑)米酒成為一款高附加價(jià)值的釀造酒。

2 紫(黑)米在釀酒工業(yè)的應(yīng)用

根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2018年我國釀酒行業(yè)規(guī)模以上企業(yè)完成釀酒總產(chǎn)量5 631.93萬kL，同比增長1.17%。飲料酒產(chǎn)量4 985.30萬kL，同比增長0.90%。隨著市場消費(fèi)環(huán)境的不斷變化，釀造酒產(chǎn)品口味及品類更為豐富，緊緊圍繞健康、綠色的健康理念。據(jù)市場研究公司Nielsen的報(bào)告顯示，2018年美國啤酒銷量下降了1.8%，但金額卻增長了近1%。國內(nèi)高端啤酒從銷量占比上來看，已從2001年的1.90%升高到2019年的10.0%。在大健康時(shí)代的今天，隨著消費(fèi)者保健意識(shí)的加強(qiáng)，健康飲酒、理性飲酒的理念正不斷深入人心。釀酒行業(yè)應(yīng)在適應(yīng)市場，強(qiáng)化酒類產(chǎn)品品質(zhì)提升的同時(shí)，挖掘多元化酒品種類，開發(fā)天然健康、綠色釀酒原料在釀酒行業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域，提升釀造酒的附加值。

紫(黑)米淀粉含量高，水分與蛋白含量適中，非常適合用作釀造原料。利用紫(黑)米釀造相關(guān)的飲料酒，口感、香氣獨(dú)特。同時(shí)，充分發(fā)揮其高礦物質(zhì)含量，富含多種生物活性物質(zhì)的特性。因此，釀造紫(黑)米酒，有利于未來食品回歸自然、回歸天然的潮流模式，擁有廣闊的市場前景。

2.1 稻米在釀造酒中應(yīng)用

谷物是釀造酒生產(chǎn)中必不可少的原料之一，原料的種類、品質(zhì)特性對(duì)最終產(chǎn)品的質(zhì)量有著重要的影響。其中，稻米作為全世界種植最廣泛的谷物原料之一，在釀酒行業(yè)中已有廣泛應(yīng)用。

在黃酒中，糯米被認(rèn)為是最適宜的釀酒原料，支鏈淀粉含量高的粳糯米，原料出酒率高，其揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的質(zhì)量濃度也明顯高于秈米、粳米和秈糯米，感官品質(zhì)更優(yōu)[28]。粳米因直鏈淀粉含量高于糯米，其釀造黃酒的口感更單薄，有機(jī)酸含量較低。秈米中直鏈淀粉含量更高，蛋白質(zhì)含量較高，釀造秈米黃酒的出酒率低，味道更為酸澀[29]。

在啤酒中，除麥芽原料外仍會(huì)添加諸多如大米、小麥、玉米、玉米淀粉和糖漿等輔料以提高麥芽收率、改善麥汁組成、改善啤酒風(fēng)味和非生物穩(wěn)定性。其中，稻米是我國常用的啤酒輔料，淀粉含量(75%～82%)遠(yuǎn)高于麥芽、脂肪含量少、啤酒色澤較淺、泡沫細(xì)膩[30]。其缺陷是稻米中氮含量低于麥芽，過多使用大米為輔料可降低麥汁中游離α-氨基氮的含量，導(dǎo)致發(fā)酵時(shí)間延長，稻米不含有淀粉酶，因此,大多數(shù)啤酒制造商會(huì)外加淀粉酶和蛋白酶。

2.2 紫(黑)米在黃酒中的應(yīng)用

黃酒(Chinese rice wine)是中國傳統(tǒng)的酒精飲料，以稻米、黍米等谷物為發(fā)酵原料，經(jīng)加曲、酵母等糖化、發(fā)酵劑釀造而成，酒精度一般在8%～18%。

利用紫米或黑米進(jìn)行黃酒釀造，可充分發(fā)揮其藥用食用價(jià)值。CAI等[31]對(duì)6種不同的稻米原料采用同種工藝制得黃酒，發(fā)現(xiàn)紫米和黑米黃酒的總多酚含量與抗氧化活性明顯高于圓糯米和紅米。紫米、黑米黃酒中含有傳統(tǒng)糯米酒中含量很少甚至不含的花色苷，DPPH自由基清除能力與其花色苷含量呈正相關(guān)性，使其抗氧化活性高于普通白糯米米酒[32]。但由于花色苷穩(wěn)定性較差，釀造過程中含量會(huì)不斷下降，如發(fā)酵醪液中花色苷含量遠(yuǎn)低于原料，經(jīng)洗米、潤糧后的初始糖化醪液中矢車菊素含量下降53.35%。成品酒保藏期越長，花色苷含量也越低[33]。對(duì)此，如何減少花色苷損失、提高成品酒中花色苷的穩(wěn)定性需要進(jìn)一步研究。

酒曲是黃酒釀造過程中的糖化發(fā)酵劑，可以起到糖化、發(fā)酵和生香的重要作用。目前，黑糯米酒工藝主要使用根酶為糖化發(fā)酵劑，蘇偉等[34]對(duì)我國貴州地區(qū)10種具代表性的黑糯米酒曲進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，黑糯米酒曲中的糖化酶活力與發(fā)酵醪的總酸呈正相關(guān)，與發(fā)酵醪pH、氨基態(tài)氮呈負(fù)相關(guān)；液化酶活力與發(fā)酵醪的pH呈負(fù)相關(guān)；酒曲的發(fā)酵力與發(fā)酵醪中總酸、還原糖、氨基態(tài)氮和雜醇油呈負(fù)相關(guān)。趙旭[35]使用酶協(xié)同微生物釀造黑糯米酒，添加Q303根酶曲和高效酵母從而解決黑糯米酒釀造過程中酒度低、發(fā)酵周期長的問題。通過改良工藝得到的黑糯米酒酒精度、總糖、總酸和花色苷含量均高于傳統(tǒng)釀造工藝。

傳統(tǒng)方法釀造紫米或黑糯米酒存在發(fā)酵困難、糖分含量高和出酒率低等問題。這是由于紫(黑)米中脂肪、蛋白質(zhì)成分較高，造成其發(fā)酵過程中生酸幅度大，最終得到的米酒汁得率低，產(chǎn)品酸味突出，口感不好。熊華等[36]通過加入高出汁量的糯米，控制紫糯的質(zhì)量比為1∶3，以提高紫米酒出酒率，調(diào)整發(fā)酵溫度為30 ℃、發(fā)酵時(shí)間為48 h、加曲量為0.8%以減少生酸，控制總酸與糖類物質(zhì)變化，制備得到的紫米黃酒出汁率高、酸度低、增香效果好并提出對(duì)紫米酒發(fā)酵的影響因素的強(qiáng)弱依次為：發(fā)酵時(shí)間>加曲量>發(fā)酵溫度。KIM等[32]發(fā)現(xiàn)黑米釀造黃酒酸味較高，成品酒中乳酸菌的數(shù)量與黑米添加量呈正相關(guān)，綜合感官品評(píng)得出最好的黑米添加量為20%。

液化法釀造黃酒作為一種新工藝，機(jī)械化和自動(dòng)化程度高，相較傳統(tǒng)工藝可節(jié)省50%以上能源，基本可實(shí)現(xiàn)廢水零排放[37]。但是王琴等[38]對(duì)比黑糯米酒固、液態(tài)發(fā)酵法，發(fā)現(xiàn)液態(tài)法釀造黑糯米酒口味淡、偏酸、有霉味，雖在釀造工藝上可簡化操作，降低勞動(dòng)程度，但在分離去除雜菌的同時(shí)，仍會(huì)去除部分對(duì)風(fēng)味物質(zhì)產(chǎn)出有重要貢獻(xiàn)的有益菌。

近年來，多種食材、藥材的使用使得保健型紫(黑)米黃酒的問世，如李辰等[39]使用黑豆、黑米、糯米為原料輔以黃酒工藝釀造出一款新型黑米黃酒。禹曉婷[40]、QI等[41]以瑪卡、人參等12味藥食同源物質(zhì)作為制曲基質(zhì)，發(fā)酵得到了品質(zhì)較好的黑糯米保健酒，可有效地調(diào)節(jié)小鼠血清腎功能，具有補(bǔ)腎作用。

2.3 紫(黑)米在啤酒中的應(yīng)用

大米在啤酒行業(yè)已經(jīng)長期作為一種重要的輔料，可顯著地增加浸出物含量。其中，紫米、黑米等有色米種也得到啤酒釀造者們的許多關(guān)注。目前已經(jīng)研制出諸多如10、12和14°P的黑米輔料啤酒以及添加入枸杞、青稞、玫瑰和添加瑪咖、紫娟茶的紫(黑)米啤酒[42-43]。

USANSA等[44]對(duì)黑米進(jìn)行了發(fā)芽制麥處理，發(fā)現(xiàn)發(fā)芽黑米含有高活力的限制性糊精酶(5 066～5 212 U/kg)和α-葡萄糖苷酶(250～210 U/kg)，用其制備的協(xié)定麥汁色度分別為：EBC5.48(非糯性黑米)和EBC7.08(黑糯米)且無麥汁過濾困難問題，釀造潛能與能力高于一般稻米。但值得注意的是黑米米粒硬、蛋白含量高、谷皮多酚類物質(zhì)含量高，釀造過程中應(yīng)適當(dāng)延長蛋白休止時(shí)間和煮沸時(shí)間以保證蛋白質(zhì)分解完全。此外，糊化糖化期間分別添加0.2 g/L硅藻土可吸附黑米皮中的苦澀成分[45]。

ZHANG等[46]對(duì)成品黑米啤酒的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)橙花叔醇、香葉醇和香葉基香葉醇為黑米啤酒產(chǎn)生的特殊風(fēng)味物質(zhì)。香葉基香葉醇有抗腫瘤、抗菌等生理活性，香葉醇是機(jī)體合成紫杉醇和類固醇等萜類化合物的重要前體物質(zhì)。

目前，基于黑米為原輔料釀造啤酒的抗氧化活性、花色苷成分變化研究鮮有報(bào)道，啤酒中總多酚含量與抗氧化能力呈正相關(guān)，且對(duì)啤酒非生物穩(wěn)定性有一定影響[47-48]，因此，有必要考察紫(黑)米啤酒釀造過程中抗氧化物質(zhì)種類及抗氧化活性的變化規(guī)律，為成品啤酒中抗氧化功能的保持提供科學(xué)依據(jù)。

2.4 其他紫(黑)米酒精飲料

除上述紫(黑)米黃酒和紫(黑)米啤酒外，紫米與黑米還可以用于其他酒精飲料的生產(chǎn)。蜂蜜酒是一類將蜂蜜加水稀釋，經(jīng)過發(fā)酵釀制而成的酒精飲品。KOGUCHI等[49]使用黑米和蜂蜜釀制蜂蜜酒(Mead)，酒精度約為10%(體積分?jǐn)?shù))，相較于添加一般大米或不添加大米的蜂蜜酒有著更強(qiáng)的抗氧化活性。KATOH等[50]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，使用紫云英(Chinese milk vetch)蜂蜜釀造黑米蜂蜜酒，花色苷質(zhì)量濃度可達(dá)35 mg/L，且有著更好的香氣與口味。

3 結(jié)束語

我國是紫米、黑米資源最為豐富的國家，有著悠久的種植歷史。因其富含花色苷等生物活性物質(zhì)以及不含麩質(zhì)的特性，將紫米、黑米與釀酒相結(jié)合，不僅可以豐富產(chǎn)品品類與風(fēng)味，更可以增加產(chǎn)品的附加值，提高產(chǎn)品質(zhì)量以滿足消費(fèi)者的需求，進(jìn)一步適應(yīng)釀酒行業(yè)發(fā)展的要求。

目前已有多款紫、黑米類酒精飲品問世，并在原料配比、釀造工藝和風(fēng)味物質(zhì)分析上有一定進(jìn)展。但是將紫米與黑米廣泛應(yīng)用于釀酒行業(yè)仍存在一定問題：(1)需解析紫米或黑米酒釀造過程中生物活性物質(zhì)如花色苷的變化，并有效提高成品酒中花色苷穩(wěn)定性；(2)進(jìn)一步選育適配紫米或黑米發(fā)酵特點(diǎn)的酵母或發(fā)酵菌群；(3)針對(duì)米種特色與成分特性，設(shè)計(jì)規(guī)范的原料標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)、通用的釀造工藝流程，以實(shí)現(xiàn)紫米或黑米酒產(chǎn)業(yè)化，促進(jìn)中國特色米種資源的高效利用，促進(jìn)釀酒行業(yè)的多元化發(fā)展。