藜麦啤酒糖化工艺研究

卞 猛,周广田*

(1.武汉轻工大学 生物与制药工程学院,湖北 武汉 430023;2.齐鲁工业大学 生物工程学院,山东 济南 250353)

藜麦啤酒糖化工艺研究

卞 猛1,2,周广田2*

(1.武汉轻工大学 生物与制药工程学院,湖北 武汉 430023;2.齐鲁工业大学 生物工程学院,山东 济南 250353)

采用单因素及正交试验研究了藜麦啤酒糖化过程中不同的下料温度、料水比、投料水pH对藜麦麦汁总黄酮含量的影响,同时对藜麦啤酒的感官、理化及微生物指标进行了品评和测定。结果表明,最佳藜麦啤酒糖化工艺为下料温度60℃、料水比1∶5.0(g∶mL)、投料水pH值为5.0。在此最佳条件下,麦汁总黄酮含量可达0.32 mg/mL,原麦汁浓度为10.94°P。藜麦啤酒具有藜麦特有的清香,泡沫洁白细腻,理化和微生物指标均达啤酒国家标准优级。

藜麦啤酒;糖化工艺;总黄酮

藜麦(Chenopodium quinoaWilld.)别称南美藜、奎藜、藜谷、奎奴亚藜等,已有7 000多年的种植历史,印加人称之为Quinoa意为“谷物之母”[1]。藜麦具有极高的营养价值,平均蛋白质含量为16.7%,某些品种蛋白质含量达20%以上,脂肪含量在7%左右,全钙0.74%,全铁0.73%,全磷72.72 mg/kg,各种维生素含量也很高,其均含有人体自身不能合成的全部9种必需氨基酸,其中赖氨酸是推荐量的3.38倍,是唯一的全谷全营养完全蛋白食物[2-4],且不含谷蛋白和胆固醇,不会引起谷蛋白过敏[5]。藜麦同时富含多种功能成分,如多酚、黄酮、皂甙和多糖等,已有研究从藜麦种子中分离出6种黄酮类化合物,总黄酮提取量可达3.86mg/g[6],其皂甙含量高达5.6%～7.5%[7]。

总黄酮是植物中重要的次生代谢产物之一,具有抗病毒、抗炎、抗癌防癌、防止动脉硬化、降血压、降血脂及胆固醇、抗氧化、防衰老等药理作用[8]。本研究以藜麦作为辅料,并选用总黄酮含量较高的大麦芽,采用正交试验优化富含总黄酮的麦汁糖化工艺,酿造富含总黄酮并且风味独特藜麦啤酒,有明显区别于其他啤酒特有的藜麦的清香和香草气息,集营养与保健于一体,是时尚健康的养生酒饮料。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

藜麦(西藏藜米贡布8号):西藏大学农牧学院植科学院;大麦芽:山东辛巴赫生物科技有限公司;酵母(上面干粉酵母US-05):弗曼迪斯酵母有限公司;啤酒花(青岛大花90型颗粒,α-酸含量6.5%):甘肃天马啤酒花有限公司;啤酒花(美国进口香型颗粒Cascade-90型,α-酸含量5.5%):雅基玛贸易(深圳)有限公司。

芦丁标准品(纯度≥98%):北京索莱宝科技有限公司;亚硝酸钠、硝酸铝、氢氧化钠、甲醇、乳酸、体积分数95%无水乙醇、磷酸氢二钠、磷酸二氢钾、茚三酮、果糖、碘酸钾、甘氨酸标准品(纯度≥98%):上海纯优生物科技有限公司。所有实验试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

LB-8型EBC糖化仪:德国FUNKE公司;HH.S-6高精度恒温水浴锅:上海精科实业有限公司;ME204分析天平(感量0.000 1 g):梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;HK-3C型台式精密酸度计:北京华科仪科技股份有限公司;DLFU W23050实验室麦芽标准磨:瑞士Buhler公司;752紫外可见分光光度计:北京普析通用仪器有限责任公司;RCT磁力搅拌器:德国IKA集团;SW-CJ-2D无菌超净工作台:长沙科怡仪器设备有限公司。

1.3 方法

1.3.1 藜麦啤酒的加工工艺流程

原料粉碎→糖化工艺→麦汁过滤→麦汁煮沸→麦汁冷却和充氧→酵母扩培和添加→发酵→成品

原料粉碎:大麦芽和藜麦利用实验室麦芽标准磨来粉碎,盘间距分别设定为0.45 mm和0.10 mm。

糖化工艺:采用单因素及正交试验研究糖化时的下料温度、料水比和投料水pH对麦汁总黄酮含量的影响,确定最佳糖化工艺。

麦汁过滤:把78℃的热水顶入过滤槽,目的将滤板以及糟底内的空气全部排出,避免麦汁受到氧化,同时也可以保证麦汁过滤的正常进行。将糖化醪液泵入过滤槽之后,静置20 min,大麦皮会沉降成过滤层。然后进行麦汁回流,来加强麦汁的澄清度。过滤时观察过滤槽中糖化醪的情况,当刚刚露出糟层的时候,加入洗糟水洗糟。

麦汁煮沸:麦汁煮沸时间为70 min,蒸发量为7%,定型麦汁数量为50 L。麦汁开锅后10 min第一次添加青岛大花颗粒13.46 g,煮沸结束前10 min添加Cascade颗粒15.91 g。

麦汁冷却和充氧:麦汁通过换热器冷却到19～20℃,同时给麦汁充氧,冷麦汁溶解氧量控制在9.0～11.0 mg/L。

啤酒酵母的扩培和添加:取2 g干粉酵母US-05,接种到装有2 000 mL麦汁的大三角瓶中,27℃培养48 h,得到种子发酵液。接种冷麦汁前,将种子液每2 h降温1℃,逐步降温到22℃,培养过程中每2 h摇一次容器,每瓶种子液接种50 L冷麦汁。

发酵工艺:每罐麦汁50 L,接种酵母种子液2 000 mL,并检测满罐酵母数,主发酵温度控制为19～20℃,每4 h检测一次糖度,糖度为3.5°P时,保压封罐,封罐压力保持在0.12～0.14 MPa,封罐后第3天开始跟踪双乙酰,当双乙酰含量下降至0.10 mg/L,降温到5℃保持24 h,然后降温至0℃后熟5 d。

1.3.2 芦丁标准曲线制备

以芦丁作为藜麦总黄酮含量测定的标准品[9]。精密称量20 mg芦丁标准品,用甲醇定容至100 mL容量瓶中,得到质量浓度为0.2mg/mL的标准液,采用NaNO2-Al(NO3)3-NaOH比色法[10]测定溶液吸光度值。

分别精密吸取芦丁标准液0.25 mL、0.50 mL、1.00 mL、1.50 mL、2.00 mL、2.50 mL加入10 mL具塞试管中,按顺序依次加入5%的NaNO2溶液0.5 mL,摇匀,静置6 min,再加入10%的Al(NO3)3溶液0.5 mL,摇匀,静置6 min,之后再加4%的NaOH溶液4 mL,摇匀,静置15 min,最后用体积分数为70%甲醇定容。于波长510 nm处测定吸光度值,测3次取平均值。按照芦丁标准曲线回归方程计算样品中总黄酮含量。

1.3.3 分析检测

α-氨基酸态氮的测定采用茚三酮比色法[11];啤酒双乙酰含量采用分光光度法测定[12];啤酒酒精度等其他理化指标测定采用啤酒全自动分析仪进行。成品酒菌落数检测采用平板计数法[13],大肠杆菌检测采用MPN计数法[14]。

麦汁感官品评聘请15名专业人士从麦汁的香味、口感、外观3个方面进行评分,其中香味、口感各占40分,外观占20分,总评得分为3项得分之和,将15人评分的平均值作为最终结果(满分为100分),具体评分标准见表1。

表1 麦汁感官评分标准Table1 Sensory evaluation standards of wort

1.3.4 糖化工艺优化单因素试验

(1)藜麦的添加量

糖化温度曲线与欧洲啤酒酿造协会(EuropeanBrewery Convention,EBC)协定法温度设定一致,具体流程为45℃投料(保温30min)→以1℃/min升温→70℃(保温60min)→过滤。料水比为1∶4(g∶mL),藜麦的添加量分别为10%、20%、30%、40%、50%,糖化后取得麦汁用滤纸过滤,考察藜麦的添加量对麦汁感官品质的影响。

(2)下料温度

精确称取大麦芽40 g和藜麦10 g,藜麦添加量为20%,料水比为1∶4.0(g∶mL),通过八皿糖化仪进行糖化,下料温度分别为37℃、42℃、47℃、52℃、55℃、57℃、62℃、65℃,制得麦汁后,滤纸过滤,取1 mL麦汁按照1.3.2的方法测所得麦汁总黄酮含量,考察下料温度对麦汁总黄酮含量的影响。

(3)料水比

藜麦添加量为20%,下料温度为57℃,料水比分别为1∶3.0、1∶3.5、1∶4.0、1∶4.5、1∶5.0(g∶mL),通过糖化仪进行糖化,制得麦汁后用滤纸过滤,并用纯水调整糖度到11°P,取1mL麦汁按照1.3.2的方法测所得麦汁总黄酮含量,考察料水比对麦汁总黄酮含量的影响。

(4)投料水pH

藜麦添加量为20%,料水比为1∶4.0(g∶mL),用乳酸调整投料水的pH分别为7.0、6.5、6.0、5.5、5.0,制得麦汁后,滤纸过滤,取1 mL麦汁,按照1.3.2的方法测所得麦汁的总黄酮含量,考察投料水pH对麦汁总黄酮含量的影响。

1.3.5 糖化工艺优化正交试验

在单因素试验结果基础上,以下料温度、料水比、投料水pH为影响因素,麦汁总黄酮含量为评价指标,进行L9(33)正交试验设计,正交试验因素与水平见表2。

表2 糖化工艺优化正交试验因素与水平Table 2 Factors and levels of orthogonal experiments for saccharification process optimization

2 结果与分析

2.1 芦丁标准曲线

以芦丁质量浓度(x)为横坐标,吸光度值(y)为纵坐标,绘制标准曲线如图1所示。由图1可知,芦丁标准曲线方程为y=11.602x-0.005,相关系数R2=0.996 3。结果表明,芦丁质量浓度在0.005～0.050 mg/mL范围内有良好的线性关系。

图1 芦丁标准曲线Fig.1 Standard curve of rutin

2.2 藜麦的添加量的确定

添加不同比例的藜麦使麦汁的口感差异明显,麦汁感官品评结果详见表3。

由于高原红藜麦富含黄酮和皂甙[15],随着其添加量的提高,所得麦汁味道逐渐变苦,同时会引起麦汁的浑浊,藜麦香气过于突出,很不协调。当藜麦添加量达到50%的时候,麦汁极苦,无法饮用;但过低的添加量使得麦汁中藜麦的风味不明显。通过对麦汁进行感官品评,最终确定添加量为20%,所得麦汁既有浓浓的麦香,也有藜麦特殊的清香,麦汁微苦,口感极佳。

表3 不同藜麦添加量对麦汁感官评分的影响Table 3 Effects of different adding proportion of quinoa on sensory score of wort

2.3 糖化工艺优化单因素试验

2.3.1 下料温度

图2 下料温度对麦汁总黄酮含量的影响Fig.2 Effect of feeding temperature on total flavonoids content in wort

由图2可知,在保持其他条件和总糖化时间不变的前提下,在实验设定的下料温度范围内,麦汁总黄酮的含量随着下料温度的升高而提高,但当温度接近52℃时又呈下降趋势;为下料温度超过55℃时,麦汁总黄酮含量又开始增加,到62℃时达到峰值,这可能是由于随着温度的增加,分子运动加快,有效成分的浸出增加,但当温度为52℃时,接近藜麦的芦丁降解酶最适作用温度[16-17],因而麦汁总黄酮含量反而下降,下料温度＞55℃后,芦丁降解酶的活性降低,直至失活,因而麦汁里总黄酮含量又开始增加;当下料温度超过62℃时,由于氧化作用,麦汁中总黄酮含量又急剧下降。因此,选择57℃、60℃、62℃这三个下料温度进行正交试验。

2.3.2 料水比

由图3可知,在保持其他条件不变的情况下,通过料水比对麦汁总黄酮含量的研究发现,在1∶3.0～1∶5.0(g∶mL)的料水比的范围内,随着料水比的增加,相同浓度的麦汁其总黄酮的含量呈现出先急后缓的上升趋势,但过高的料水比对于啤酒酿造是不适合的,影响浸出物得率,因此选择料水比1∶4.0、1∶4.5和1∶5.0(g∶mL)进行正交试验。

图3 料水比对麦汁总黄酮含量的影响Fig.3 Effect of material-water ratio on total flavonoids content in wort

2.3.3 投料水pH

图4 投料水pH对麦汁总黄酮含量的影响Fig.4 Effect of and feeding water pH on total flavonoids content in wort

由图4可知,在其他条件不变的情况下,通过投料水pH对麦汁总黄酮含量的研究发现,在实验设定的投料水pH的范围内,麦汁总黄酮的含量随着投料水pH值的降低而增加,显现出先急后缓的趋势,但考虑到啤酒酿造对投料水pH的要求,选择投料水pH值为6.0、5.5、5.0进行正交试验。

2.4 糖化工艺优化正交试验

固定藜麦添加量为20%,采用L9(33)正交设计从下料温度、料液比、投料水pH三个方面以麦汁总黄酮含量为考察指标优化糖化工艺,正交试验因素与水平结果见表4。

由表4可知,极差结果分析显示影响麦汁总黄酮含量的主次因素依次为A(投料温度)＞B(料水比)＞C(投料水pH值)。最终优化之后得到的麦汁的最佳糖化工艺条件为A2B3C3,即投料温度60 ℃,料水比为1∶5.0(g∶mL),投料水pH值为5.0。在此最佳糖化工艺条件下,进行3次验证试验,得到11度麦汁的总黄酮含量平均值为0.320 mg/mL。

表4 糖化工艺优化正交试验结果与分析Table 4 Results and analysis of orthogonal experiments for saccharification process optimization

2.5 藜麦啤酒品质分析

2.5.1 藜麦啤酒感官品评[18]

藜麦啤酒外观淡黄,色泽鲜亮;泡持性较好,持久挂杯,因藜麦富含皂素[19],藜麦的添加使得啤酒泡持达260 s;藜麦的清香、酵母发酵产生的酯香、酒花香交织在一起,气味迷人、高雅柔和;泡沫洁白、细腻;口感顺滑。

2.5.2 藜麦啤酒理化指标和卫生指标检测分析结果

表5 藜麦啤酒理化、卫生指标检测分析结果Table 5 Detection and analysis results of physicochemical and hygienic indexes of beer

由表5可知,产品的感官指标、理化指标和卫生指标均符合国标GB 4927—2008《啤酒》,具有藜麦啤酒独具特色的风味。

3 结论

黄酮类化合物作为植物中非常重要的一类次生代谢产物,在植物中广泛存在。具有降低血脂及胆固醇,抗菌抗病毒,防治高血压,保肝护肾等多种药理作用。经优化后得到的最佳糖化条件:投料温度60℃,料水比为1∶5.0(g∶mL),投料水pH为5.0,在此工艺条件下,麦汁总黄酮含量高达0.320mg/mL,由此酿造的藜麦啤酒总黄酮含量为0.230mg/mL,具有藜麦独特的风味,饱满扎实,泡沫洁白、细腻,口感顺滑是一款集营养与保健一体的精酿啤酒。

[1]魏爱春,杨修仕,么 杨,等.藜麦营养功能成分及生物活性研究进展[J].食品科学,2015,36(15):272-276.

[2]肖正春,张广伦.藜麦及其资源开发利用[J].中国野生植物资源,2014,33(2):62-66.

[3]REPOCARRASCO R,ESPINOZA C,et al.Nutritional value and use of the Andean crops quinoa(Chenopodium quinoa)andkaniwa(Chenopodium pallidicaule)[J].Food Rev Int,2003,19：179-189.

[4]杨月欣.中国食物成分表(第2册)[M].北京:北京大学医学出版社,2005:217-245.

[5]BERTI C,LAMETTI S,PORRINI M,et al.Chenopodium quinoa may represent a viable alternative for gluten-free products[J].Polish J Food Nutr Sci,2002,11：138-140.

[6]董施彬.黎麦黄酮提取工艺、抗氧化活性及抗衰老研究[D].北京:北京林业大学,2016.

[7]MASTEBROEK H D,LIMBURY H,GILLES T,et al.Occurrence of sapogenins in leaves and seeds of quinoa(Chenopodium quinoaWilld)[J].J Sci Food Agr,2000,80(1)：152-156.

[8]赵秀玲.黄酮类化合物的研究进展[J].江苏调味副食品,2010,27(5):17-22.

[9]藜麦种子黄酮含量的快速检测技术研究[J].中国种业,2017(7):66-69.

[10]姜秀娟,唐金成,白红进,等.可见分光光度法测定刺山柏花蕾中总黄丽含量[J].食品科学,2010,31(18):59-63.

[11]中华人民共和国国家发展和改革委员会.QB/T 1686—2008啤酒麦芽[S].北京:中国标准出版社,2008.

[12]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 4928—2008啤酒分析方法[S].北京:中国标准出版社,2008.

[13]中华人民共和国卫生部.GB 4789.2—2010菌落总数测定[S].北京:中国标准出版社,2010.

[14]中华人民共和国卫生部.GB 4789.3—2010大肠菌群计数[S].北京:中国标准出版社,2010.

[15]石振兴.国内外藜麦品质分析及其减肥活性研究[D].北京:中国农业科学院,2016.

[16]KIJIMA T,TAKAHASHI S,ITOZAWA T,et al.The activity of rutin degrading enzyme from flower buds of Japanese pagoda tree[J].J Food Tech,2005,3(2)：238-241.

[17]周 凌,孙帅楠,谢彩峰,等.响应面优化外加酶对木薯麦汁中氨基氮的影响[J].轻工科技,2017(4):18-23.

[18]董小雷,周广田,聂 聪,等.啤酒感官品评[M].北京:化学工业出版社,2007:126-130.

[19]ZHU N Q,SHENG S Q,et al.Triterpene saponins from debittered quinoa(Chenopodium quinoa)seeds[J].Agr Food Chem,2002,50：865-867.

BIAN Meng1,2,ZHOU Guangtian2*
(1.School of Biology and Pharmaceutical Engineering,Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430023,China;2.College of Bioengineering,Qilu University of Technology,Jinan 250353,China)

TS262.5

0254-5071(2017)11-0180-05

10.11882/j.issn.0254-5071.2017.11.039

2017-04-18

山东省优秀中青年科学家科研奖励基金(2014BSB01118)

卞 猛(1984-),男,助理工程师,硕士,研究方向为微生物学。

*通讯作者:周广田(1954-),男,教授,本科,研究方向为现代酿酒技术。