脉冲电场对啤酒大麦萌发性质的影响

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(扬州大学食品科学与工程学院,江苏扬州 225127)

大麦芽是啤酒酿造的主要和重要原料,大麦籽粒在吸收一定水分后,在适当的温度湿度条件下萌发,产生一系列酶,在后续啤酒原料处理过程中使淀粉、蛋白质等大分子物质分解,为酵母发酵提供养分。绿麦芽采用不同条件干燥后可以赋予啤酒不同的色、香、味等感官品质。目前应用较多的大麦来自澳大利亚和加拿大。

我国是啤酒生产和消费大国,但麦芽质量远远不能满足啤酒工业发展的要求,主要问题之一在于大麦品种不好、类型单一、麦芽质量不高且不稳定。农业部门可以改良品种,但工业部门只有通过改良加工工艺和优化工艺条件来提高产品质量。研究较多的是使用赤霉酸和添加金属离子对α-淀粉酶、β-淀粉酶和极限糊精酶活性的影响,合适的添加量可以使酶活提高20%[1-2]。

脉冲电场(PEF)在食品工业中的应用研究已经有40余年历史,主要用于杀菌、钝酶或提高植物成分提取率如油脂或果汁,物料的形态为液体或电极完全浸没在物料中构成密闭体系[3]。如果PEF能在低水分、固体状态物料的处理方面得到应用,那么其应用范围将大大扩展。在发现PEF可以对干燥状态的糙米产生作用[4]后,针对固相食品体系的系列基础研究工作逐步展开,且结果均显示，PEF具有明确的作用,已进行的工作涉及蛋白质结构和功能性质、油脂的得率和性质及苹果质构和果汁得率等方面[5-10]。PEF在医学上应用较多,但在食品工业中用于细胞促进作用的研究未见报道。

本文评价PEF对大麦萌发活力及相关性质的影响,以探讨其在啤酒大麦芽制备过程中应用的可能性。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

啤酒用大麦 扬农啤12号,由扬州大学农学院提供;品种的基本特征为千粒重40 g,发芽率95%,饱满粒率98.8%,蛋白质12.08%,麦芽浸出率79.6%,糖化力209 WK,α-氨基氮174 mg/100 g,库尔巴哈值44%。麦芽糖、乙酸钠、茚三酮、3,5-二硝基水杨酸、亮氨酸、牛血清白蛋白 上海蓝季科技发展有限公司;无水葡萄糖 上海展云化工有限公司;可溶性淀粉 天津市科密欧化学试剂有限公司;β-葡聚糖 Sigma公司;次氯酸钠 上海苏懿化学试剂有限公司;氢氧化钠、四水酒石酸钾钠、无水亚硫酸钠、柠檬酸钠、柠檬酸、考马斯亮蓝G-250 国药集团化学试剂有限公司。

HD35-5脉冲高压电源 天津市惠达电子元件厂;SPX-80B生化培养箱 天津赛得利斯实验分析仪器制造厂;UV-7504C紫外-可见分光光度计 上海茂欣仪器有限公司;AR3130电子分析天平 奥豪斯国际贸易(上海)有限公司;BS224S电子天平 北京赛多利斯有限公司;PD-151游标卡尺 宝工实业股份有限公司;PHSJ-3F实验室pH计 上海仪电科学仪器股份有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 制麦工艺

1.2.1.1 浸麦 挑选饱满、无虫害、大小差异小的大麦籽粒,用次氯酸钠浸泡10 min,再用蒸馏水冲洗3次,湿浸4 h干浸8 h,重复湿浸与干浸,总浸麦时间28 h,浸麦温度19 ℃,浸麦度43%(m/m)。

1.2.1.2 PEF处理 取100粒大麦拭去表面水后单层平铺于处理腔中。设置脉冲频率和宽度为500 Hz和6 μs,停留时间为10 min,电场强度为1.5、3、4.5、6、7.5 kV/cm。

1.2.1.3 发芽 将100粒大麦平铺于用蒸馏水浸湿的两层纱布上,置于生化培养箱内19 ℃避光发芽,当叶芽平均长度为麦粒长的3/4左右时发芽完成。

1.2.1.4 干燥 绿麦芽经45 ℃鼓风干燥24 h,磨粉,备用。

1.2.2 指标测定

1.2.2.1 鲜重、干重、发芽势、发芽率、简化活力指数测定 发芽后绿麦芽直接称量所得质量除以100为单株麦芽鲜重(mg/株),绿麦芽经干燥后的总质量除以100为单株麦芽干重(mg/株)。用游标卡尺测定绿麦芽的根芽长(mm)、叶芽长(mm)、根数。发芽势(%)=(第2 d正常发芽的种子数/总种子数)×100。发芽率(%)=(第3 d正常发芽的种子数/总种子数)×100。简化活力指数=麦芽叶芽长度×发芽率。

1.2.2.2 还原糖测定 采用3,5-二硝基水杨酸(DNS)比色法[13]测定。

1.2.2.3β-葡聚糖酶活力测定β-葡聚糖酶活力定义为在50 ℃、pH为5.5的条件下,每分钟从浓度为5 mg/mL的β-葡聚糖溶液中释放1 μmol还原糖所需要酶的量为一个酶活力单位(U)。根据文献[11]和[12]制备酶液和测定,以单位质量样品的活力单位(U/g)表示。

1.2.2.4 淀粉酶活力测定 淀粉酶活力定义为每克样品每分钟生成的还原糖的量(mg/g·min),根据文献[13]测定。

1.2.2.5 可溶性蛋白质测定 采用考马斯亮蓝G-250比色法[13]测定。

1.2.2.6 氨基态氮测定 根据QB/T 1686-2008进行。

1.3 统计分析

每个处理和测定重复3次。采用Excel 2013进行数据分析和绘图。采用SPSS 22.0进行显著性分析,取p<0.05为显著。

2 结果与分析

2.1 PEF对芽长、根长、鲜重、干重、发芽势、发芽率和简化活力指数的影响

如表1所示,PEF处理会影响大麦根和芽的生长,其中场强为4.5 kV/cm时,芽长、根长和根数比对照组分别提高13.62%、43.33%和9.53%;场强为6.0 kV/cm时,芽长、根长和根数比对照组分别提高了15.78%、36.48%和10.51%。PEF处理能够提高麦芽鲜重，而对干重影响较小,鲜重和干重均在场强为6.0 kV/cm时有最大值,场强为7.5 kV/cm的处理组干重显著小于对照组(p<0.05)。PEF组的发芽势较对照组都有显著提高(p<0.05),在6.0 kV/cm处达最大值,比对照组提高了38.96%;在场强为4.5、6.0 kV/cm的处理组,发芽率分别提高了17.60%和9.43%,与对照组相比差异都显著(p<0.05);除场强为1.5 kV/cm的处理组外,其他处理组的简化活力指数均显著(p<0.05)高于对照组。

表1 脉冲电场对大麦萌发指标的影响Table 1 Effect of PEF on germination indices of malting barley

种子萌发活力一般用芽长、根长、鲜重、干重、发芽势、发芽率和简化活力指数等指标评价。芽长和根长等反映种子萌动后生长代谢的活性大小,幼苗鲜重反映种子在萌发过程中的生长量的大小,发芽势高表示种子萌发所需的时间短,发芽率高表示种子的成活率高,而简化活力指数则是种子发芽速率和生长量的综合反映[14-15]。根和芽的长度以及根的数量越大,说明种子的萌发活力越强。适度的电刺激对于生物细胞生长有促进作用已经成为常识,邓红梅等[16]罗列了外加静电场的可能作用有:改变种子体内生物膜电位;使细胞内蛋白质、糖类、脂类等极性分子和金属离子的定向排列，引起含镁、铜、锰、锌、铁等金属酶的构象发生变化;使种子内自由基含量显著增加，从而激活与生物膜相结合的腺苷酸环化酶,导致基因活化,使负责酶合成的基因解除抑制;以及使种子萌发过程中ATP含量增加等。种子萌发是一个复杂的生理过程,各指标间很难用一个通用规律描述总结。PEF用于大麦发芽的文献未见报道,关于PEF作用机理研究在进行中,后续将分别报道。

2.2 PEF对多糖水解酶活力的影响

2.2.1β-葡聚糖酶活力 麦芽中β-葡聚糖含量过高，会造成麦汁或啤酒黏度高、过滤困难,提高β-葡聚糖酶活力可以改善麦芽的品质[14]。提高浸麦度和发芽温度、延长发芽时间可以降低β-葡聚糖含量,但会使麦芽的蛋白质溶解指数偏高、麦汁色度加深,制麦损失增大[15]。PEF可以提高麦芽β-葡聚糖酶活力(表1),3.0～7.5 kV/cm的场强可使β-葡聚糖酶活力显著增加(p<0.05),提高幅度为9.73%～21.46%。不改变制麦工艺和条件,引入PEF作用,可以提高β-葡聚糖酶活力,降低β-葡聚糖含量,提高麦汁过滤效果,进而提高生产效率和麦芽及啤酒质量。

2.2.2 淀粉酶活力 淀粉酶在大麦萌发时能快速启动初期物质和能量代谢,其活力高低是大麦萌发快慢的主要原因[16]。从表1可以看出,α-淀粉酶活力随场强增加至4.5 kV/cm时达到最大值,比对照组提高了26.48%,其后随场强增加而降低;PEF对β-淀粉酶活力的影响小于其对α-淀粉酶活力的影响,β-淀粉酶活力在6.0 kV/cm时达到最大值,比对照组提高了23.57%。PEF使大麦淀粉酶活性提高,加快麦粒中淀粉水解速率,提高大麦的发芽速度,缩短发芽周期,可以降低生产成本。

2.3 PEF对还原糖、氨基态氮和可溶性蛋白质含量的影响

2.3.1 还原糖 还原糖是麦汁浸出物的主要组成部分,能够为酵母提供碳源,也是酵母主要的可发酵性糖。还原糖含量过低不利于啤酒发酵,易引起酵母早期沉降、残糖多和还原双乙酰慢等问题。从表1可看出,随着电场强度增加,还原糖含量先增加后下降,处理组均高于对照组,增幅为3.49%～11.94%。

2.3.2 氨基态氮和可溶性蛋白质 麦芽中的蛋白质会对麦汁色度、啤酒浑浊和泡沫稳定性产生影响[17-18]。在制麦过程中,蛋白质在蛋白酶的作用下逐渐分解为低分子肽类和氨基酸,这些营养物质为啤酒酿造是酵母的生长和代谢提供了保障。麦汁中氮量越丰富,酵母的代谢就越旺盛,发酵能力强有利于啤酒生产[19],氨基态氮也与啤酒的风味有关。啤酒中与可溶性蛋白质直接相关的指标为库尔巴哈值(Kolbach index),为简化测定过程,本文直接采用可溶性蛋白质含量为指标进行描述。从表1可看出,麦芽可溶性蛋白质含量随着场强增大呈现缓慢增加的趋势,增幅为4.79%～17.19%,差异显著(p<0.05)。氨基态氮含量先快速上升后缓慢下降,在场强为3.0 kV/cm时有最大值。

2.4 PEF对大麦萌发活力影响的综合评价

2.4.1 相关性分析 从表2相关系数矩阵表可看出,除干重和可溶性蛋白质含量之间呈负相关外,其它指标间都呈正相关关系。其中,芽长与根长、根数、发芽势、简化活力指数、α-淀粉酶活力、β-淀粉酶活力、还原糖含量和可溶性蛋白质含量,根长与根数、发芽势、发芽率、简化活力指数、β-葡聚糖酶活力、α-淀粉酶活力、β-淀粉酶活力、还原糖含量和可溶性蛋白质含量,根数与发芽势、β-淀粉酶活力、还原糖含量,发芽势与简化活力指数、β-淀粉酶活力和还原糖含量,发芽率与简化活力指数、β-葡聚糖酶活力、α-淀粉酶活力和还原糖含量,简化活力指数与β-葡聚糖酶活力、α-淀粉酶活力、β-淀粉酶活力和还原糖含量,β-葡聚糖酶活力与α-淀粉酶活力,α-淀粉酶活力与可溶性蛋白质含量,β-淀粉酶活力与还原糖含量之间均呈高度相关。

2.4.2 利用主成分分析对萌发活力的综合评价 表3列出了累积贡献率达到100%的5个主成分。可以看出,前3个主成分的特征值都大于1,累积贡献率达到94.113%,说明它们基本上包含了全部指标的所有信息,能够反映PEF对大麦萌发的影响。

表3 特征值及前5个主成分贡献率及累积贡献率Table 3 Eigen value and individual and cumulative contribution rate of 5 principal components

由表4中初始因子载荷矩阵可知,第一主成分反映了还原糖含量、根长、简化活力指数、芽长、发芽势、β-淀粉酶活力、根数、发芽率、β-葡聚糖酶活力、α-淀粉酶活力的信息;第二主成分反映了干重、鲜重、α-淀粉酶活力的信息;第三主成分反映了可溶性蛋白质含量、氨基态氮含量和β-葡聚糖酶活力的信息。由主成分载荷矩阵数据与主成分对应特征值的平方根相除可得各指标对应系数的特征向量矩阵(表4),以Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z7、Z8、Z9、Z10、Z11、Z12、Z13、Z14分别表示芽长、根长、根数、鲜重、干重、发芽势、发芽率、简化活力指数、β-葡聚糖酶活力、α-淀粉酶活力、β-淀粉酶活力、还原糖含量、可溶性蛋白质含量和氨基态氮含量,前三个主成分Y1、Y2和Y3的表达式如下。

表4 指标初始因子载荷矩阵和特征向量矩阵 Table 4 Component matrix and compute variable matrix

Y1=0.300Z1+0.302Z2+0.278Z3+0.185Z4+0.180Z5+0.298Z6+0.274Z7+0.302Z8+0.270Z9+0.257Z10+0.281Z11+0.306Z12+0.223Z13+0.241Z14

Y2=-0.034Z1-0.154Z2+0.117Z3+0.496Z4+0.580Z5+0.157Z6-0.154Z7-0.054Z8-0.073Z9-0.386Z10+0.167Z11+0.044Z12-0.371Z13-0.076Z14

Y3=-0.221Z1-0.057Z2-0.161Z3-0.284Z4+0.297Z5-0.129Z6+0.354Z7+0.130Z8+0.391Z9+0.080Z10-0.173Z11-0.126Z12-0.477Z13+0.400Z14

根据各主成分得分以及方差贡献率构造14个指标的综合得分函数:

Y=0.215Z1+0.215Z2+0.222Z3+0.186Z4+0.241Z5+0.245Z6+0.226Z7+0.243Z8+0.236Z9+0.161Z10+0.229Z11+0.237Z12+0.090Z13+0.214Z14

将标准化后发芽指标变量的数值代入式Y1、Y2、Y3和Y,得到6个处理在每个主成分和综合主成分上的得分和排名(表5)。可以看出,PEF强度对大麦萌发活力综合指标值提高的影响力顺序由大到小依次为6.0、4.5、3.0、7.5、1.5、0 kV/cm。

表5 各主成分得分和综合得分Table 5 Individual and general scores of principal components

3 结论

脉冲电场可促进大麦萌发,大大提高相关指标水平。与未经PEF处理的对照比较,所设置的电场强度条件(1.5、3.0、4.5、6.0、7.5 kV/cm)均使芽长、根长、根数、鲜重、干重、发芽势、发芽率和简化活力指数8项宏观指标以及β-葡聚糖酶活力、α-淀粉酶活力、β-淀粉酶活力、还原糖含量、可溶性蛋白质含量和氨基态氮含量等6项微观指标提高,各项指标最大提高幅度分别为15.78%(6.0 kV/cm时)、43.33%(4.5 kV/cm时)、10.51%(6.0 kV/cm时)、1.91%(6.0 kV/cm时)、2.06%(6.0 kV/cm时)、38.96%(4.5 kV/cm时)、17.60%(6.0 kV/cm时)和33.49%(4.5 kV/cm时)、21.46%(4.5 kV/cm时)、26.48%(4.5 kV/cm时)、23.57%(6.0 kV/cm时)、11.94%(6.0 kV/cm时)、17.19%(3.0 kV/cm时)和6.28%(7.5 kV/cm时),14项指标间密切相关。除干重和可溶性蛋白质含量之间呈负相关外,其它指标间都呈正相关,大多数指标间呈高度或中度相关。综合研究条件,电场对种子电场强度对大麦萌发影响由大至小的顺序为6.0、4.5、3.0、7.5、1.5、0,6.0 kV/cm为最佳。可以认为,采用脉冲电场对大麦籽粒进行适当的处理可以大大提高所得啤酒麦芽的品质,但其作用机理仍需要进一步研究。