玉米生料与大米生料酿酒特性研究

2018-02-28李永博黄治国任志强四川理工学院生物工程学院四川自贡643000酿酒生物技术及应用四川省重点实验室四川自贡643000

食品研究与开发 2018年4期

李永博，黄治国，2，任志强，2，*（.四川理工学院生物工程学院，四川自贡643000；2.酿酒生物技术及应用四川省重点实验室，四川自贡643000）

生料酿酒是相对于传统酿酒将原料蒸熟糊化后进行糖化发酵而言的。在生料酿酒过程中，原料不经蒸煮糊化，直接经酶制剂糖化后进行发酵[1-2]。因此，生料酿酒减少了粮食蒸煮过程中能量的投入，降低了生产成本；并且原料不经加热糊化，简化了生产工艺[3-4]，降低了操作难度；酶制剂的应用使原料糖化更彻底，具有更高的出酒率，具有很好的社会及经济效益[5-7]。

目前用于生料酿造的有大米、小麦、玉米、高粱、木薯、甘薯等多种原料，其中大米和玉米最为常见。酿酒的主要过程为淀粉质原料经水解成葡萄糖后，进一步发酵生成乙醇和二氧化碳。原料中的生淀粉在葡萄糖淀粉酶的作用下水解成葡萄糖。淀粉本身具有一定的吸附能力，当它遇水时，水分子会逐步侵入其内部，与一部分淀粉分子结合，淀粉胶束间隙逐渐扩大，体积膨胀，其淀粉卷绕螺旋伸展，暴露许多羟基，它能与其他有机物物质以氢键连结，吸附物质。生淀粉的水解速率与葡萄糖淀粉酶能否被它吸附以及吸附强度有关[8-10]。不同来源的原料因其淀粉性质存在一定的差异[11]，其酿造特性可能存在差异。

本研究以生料酿酒常用原料玉米和大米进行生料酿酒比较其酿造特性，结果表明大米的出酒率高于玉米。为了探究玉米相比于大米不易被生料酿酒利用的原因，对原料淀粉酶解前后的淀粉形态进行电镜观察，发酵液中的理化指标进行分析，发现了影响玉米出酒率的因素。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

大米、玉米：市售；生料酒曲：安琪酵母股份有限公司；α-淀粉酶（4 000 U/g）：上海源叶生物科技有限公司；3，5-二硝基水杨酸：成都科龙化工试剂厂；其他试剂均为市售分析纯。

1.2 仪器与设备

紫外可见分光光度计（UV-1200）：翱艺仪器上海有限公司；恒温培养振荡器（ZHWY-103D）：上海智城分析仪器制造有限公司；全自动高压蒸汽灭菌锅（MLS-3020）：北京艾飞博科技有限公司；超净工作台（SW-CJ-2D）：江苏苏净集团有限公司；离心机（5430）：Eppendorf中国有限公司；SuperAlcomat高精度数显酒精浓度计：意大利盖博分析仪器公司；LEO-1530VP型扫描电镜：德国LEO公司。

1.3 方法

1.3.1 原料预处理

挑取无霉变、无杂质、新鲜的大米、玉米，粉碎，过60目筛。

1.3.2 生料发酵工艺

分别称取多份100 g大米粉、玉米粉置于500 mL三角瓶中，每瓶加入0.5 g生料酒曲，250 mL去离子水，混合均匀后置于30℃恒温培养箱中静置培养2天后加发酵栓密封发酵，每天测一次酒精度、淀粉含量、还原糖等发酵特性指标，测10 d。

1.3.3 酒精含量的测定

吸取发酵醪液100 mL于500 mL蒸馏器中，加50 mL去离子水，再加入玻璃珠数粒后，蒸馏，用100mL容量瓶收集馏出液100 mL，用高精度数显酒精浓度计测量其酒精度。

1.3.4 出酒率的测定

每瓶发酵醪液产乙醇总质量占所投原料总质量的比值，即为原料出酒率；每瓶发酵醪液产乙醇总质量占所投淀粉总质量的比值，即为淀粉出酒率。

1.3.5 生料原料酶解方法

称取10 g玉米粉、大米粉分别置于250 mL锥形瓶中，同时向每瓶加入80 mgα-淀粉酶、25 mL去离子水，充分混均后置于30℃酶解12 h。过滤、烘干后，取适量酶解后的淀粉颗粒进行电子显微镜观察。

1.3.6 原料淀粉颗粒形态的观察

在红外灯下用双面胶将样品固定在样品台上，然后喷金并将处理后的样品保存在干燥器中，测试时将样品置于电镜下观察，拍摄具有代表性的淀粉颗粒形态[12]。

1.3.7 淀粉和还原糖含量检测

淀粉含量的测定采用盐酸水解法[13]；还原糖的测定采用DNS法[14]。

2 结果与讨论

2.1 两种不同原料出酒率的比较

原料出酒率和淀粉出酒率是酒精生产的重要经济技术指标，它还能反应原料的转化和利用效率，提高转化效率可降低生产成本，获得更高的经济效益[15]。对两种原料淀粉含量进行分析，结果见图1。

图1 不同原料淀粉含量Fig.1 Starch content of raw different

图1可知，大米原料淀粉含量为76.5%，玉米原料淀粉含量为65.25%。对两种原料生料酿造产酒能力进行比较，结果见图2。

图2 生料酿酒不同原料的出酒率Fig.2 The yield of alcohol using different raw materials

由图2可知，无论是原料出酒率还是淀粉出酒率大米均高于玉米。在原料出酒率方面大米高于玉米，但大米的淀粉含量也高于玉米淀粉含量。对两种原料的淀粉出酒率进行比较，结果显示大米淀粉的出酒率54.6%高于玉米49.1%，表明大米淀粉较玉米淀粉更容易被微生物利用。此结果与先前的报道[8]相似。

2.2 两种不同原料酶水解前后淀粉颗粒形态的变化

对两种原料酶水解前后淀粉颗粒形态进行了对比分析，结果见图3。

图3 大米和玉米酶水解前后电镜图Fig.3 Electron microscopy of corn and rice enzymatic hydrolysis and none

由图3可知，电子显微镜结果显示，水解前两者的淀粉颗粒形态都较大，但大米淀粉主要呈片层结构，玉米淀粉主要呈粒状结构，这种结构上的差异表明可能大米淀粉更容易被酶水解；酶水解后发现，大米淀粉颗粒较小，大小均匀，玉米淀粉颗粒较大，且颗粒有大有小，结果表明大米水解程度更高，且小颗粒具有更大的比表面积，有利于进一步酶水解。

2.3 淀粉含量在发酵过程中的变化

淀粉是生料酿造过程中微生物生长繁殖和代谢的最主要的营养物质[16-17]，必须通过微生物自身代谢所产的淀粉酶以及生料酒曲中的酶系才能将其水解成小分子还原糖等物质，以供微生物生长代谢，发酵过程中淀粉含量变化是衡量发酵进行的重要依据。淀粉含量在发酵过程中的变化见图4

图4 发酵过程中淀粉含量Fig.4 Starch content during the fermentation

由图4可知，淀粉含量前4天下降较快，之后缓慢下降，直至发酵结束。这可能是由于发酵前期，发酵液中营养物质丰富，微生物代谢旺盛，微生物产生的大量淀粉酶，以及生料酒曲中的酶系将淀粉降解为可发酵性糖导致发酵液中淀粉含量快速下降，发酵后期淀粉含量下降速度变缓可能是由于发酵液中的营养物质相对匮乏以及微生物产生的酒精等代谢产物抑制了微生物的生长以及酶的活性。

2.4 还原糖在发酵过程中的变化

发酵是否彻底，可以通过检测还原糖含量确定。生料酒精发酵还原糖含量变化见图5。

图5 发酵过程中还原糖含量Fig.5 Reducing sugar content during the fermentation

程糖化和发酵反应一直在平衡同步进行。一方面淀粉被酶分解为葡萄糖，另一方面还原糖被酵母菌利用产生酒精。这样边糖化边发酵的过程，使酵母菌处于较低的渗透压环境中，原料利用率更高。发酵液中还原糖含量的高低可以反应微生物对原料利用能力的强弱。由图5可知，在整个发酵过程中玉米发酵液中的还原糖含量均高于大米发酵液，这可能就是由于两种原料所产生的还原糖成分存在差异，酵母对大米淀粉所产生的还原糖利用率更高。

2.5 酒精度在发酵过程中的变化

酒精度在发酵过程中的变化规律见图6。

图6 发酵过程中酒精含量的变化Fig.6 Alcoholicity content during the fermentation

由图6可知，随着淀粉被不断消耗，酵母将水解生产的葡萄糖发酵生成酒精，使样品中的酒精度不断提高。大米玉米生料发酵10天时，酒精度就达到最高点。酒精度的变化规律与淀粉变化规律相反，随淀粉的降低呈上升趋势，符合发酵规律。

3 结论

本试验对玉米生料与大米生料酿酒特性进行了研究。结果表明大米的出酒率41.8%高于玉米32.1%。为了阐明哪些因素导致了大米比玉米生料酿酒具有更高的出酒率，对不同原料酶水解前后淀粉结构和生料酿造特性进行了研究。结果表明水解前两者的淀粉颗粒形态较大，玉米淀粉颗粒呈粒状，大米颗粒呈片层结构；酶水解后大米淀粉颗粒相对于玉米淀粉颗粒较小，说明生料大米更容易被被水解，并且小颗粒具有更大的比表面积，将有利于进一步降解利用。对两种原料进行生料发酵，测定其发酵液中淀粉和还原糖含量的变化，结果发现两种发酵液中的淀粉含量都有明显的下降，而发酵液中的还原糖含量玉米0.99 mg/mL显著高于大米0.41 mg/mL。表明酵母利用大米水解所产生的还原糖更容易，而利用玉米水解产生的还原糖更难，可能的原因在于两种原料所产生的还原糖成分存在差异。从而得出结论：大米相对于玉米进行生料酿酒具有更高的利用率的原因可能在于淀粉颗粒结构差异和酶水解后产生的还原糖成分不一样。提示将来在玉米生料酿酒的过程中可以增加粉粹程度使其更容易被酶水解和延长发酵时间以提高原料利用率。

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