3 种高粱品种淀粉特性和酿造黄酒的风味品质分析

王志伟，闫凤霞，徐嘉良，柳青山，任 清,*

（1.北京工商大学食品学院，食品添加剂与配料北京高校工程研究中心，北京 100048 ；2.山西省农业科学院高粱研究所，山西 晋中 030600 ）

高粱属于禾本科高粱属（Sorghum）植物，具有高产和高抗逆性（抗旱、抗涝、耐盐碱、耐贫瘠等）的特点，因此被广泛种植，其种植面积和总产量仅次于小麦、玉米、水稻和大麦，是世界上第5大粮食作物。高粱在我国已经有5 000多年的种植历史，成为我国重要的粮食产物，在国民经济中占有极其重要的地位[1]。高粱成分包括淀粉（直链淀粉、支链淀粉）、蛋白质、赖氨酸、脂肪、单宁等，其中，淀粉占有很大的比例，因此，高粱是白酒酿造的主要原料之一[2]。黄酒是我国的传统酒，是世界三大古酒之一，至今已有六七千年的历史。北方黄酒的原料主要是黍米，南方黄酒的原料主要是糯米，它是利用麦曲中所含的多种微生物和酵母的共同作用酿造而成的[3]。随着科技水平的发展和人们生活水平的提高，高品质、高多样性的酒类被越来越多的人所需求，所以，高粱也逐渐开始作为原料来酿造黄酒。‘晋杂22号’、‘晋粱白2号’和‘晋粱白3号’为酿造白酒的主要原料，含有丰富的营养物质，所以本实验采用这3 种高粱为原料来酿造黄酒，并且研究其淀粉特性及对酿造过程中风味物质的影响。

黄酒中含有大量的风味物质，风味物质主要是发酵醪中的微生物利用葡萄糖产生的，而葡萄糖则是高粱原料中的淀粉分解产生的，所以，淀粉含量越高，转化得到的糖类物质越多，风味物质的含量也就越多。近年来，不少学者对黄酒风味物质尤其是其中的挥发性成分进行研究。罗涛等[4]参考了国内外多种饮料酒中风味物质的研究方法，最终采用顶空固相微萃取技术对黄酒中挥发性和半挥发性成分进行检测，并且从黄酒中检测到了63 种挥发性和半挥发性风味物质。Cao Yu等[5]利用顶空固相微萃取检测了绍兴黄酒的挥发性风味物质，总共检测到54 种风味物质，并利用主成分分析确定该地区的特征风味物质。王培璇等[6]利用顶空固相微萃取和气相色谱-质谱（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）技术联用，对12 个不同地区黄酒进行了检测，一共检测到了142 种风味物质。但是目前针对高粱酿造的黄酒的研究尚鲜见报道，所以有必要选择合适的研究方法来分析不同高粱品种酿造的黄酒的风味物质的种类及含量，这对新型黄酒产品的研制和生产具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

高粱（‘晋杂22号’、‘晋粱白2号’、‘晋粱白3号’） 山西省农科院高粱研究所；麦曲 张家口北宗黄酒酿造有限公司；酵母 湖北安琪生物集团有限公司；糖化酶 湖南新鸿鹰生物工程有限公司；其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

T-6紫外-可见分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司；PHS-3D pH计 上海三信仪表厂；电子天平 北京赛多利斯仪器系统有限公司；VEGAII型扫描电子显微镜 捷克Tescan公司；Q200型差示扫描量热仪 美国TA公司；50/30 μm DVB/CAR/PDMS固相微萃取纤维、57330-U固相微萃取柄 美国Supelco公司；2010PlUS GC-MS联用仪 日本Shimadzu公司；酒精计河间市双塔仪表厂。

1.3 方法

1.3.1 高粱籽粒微观形态的检测

参考文献[7]的方法，利用扫描电子显微镜对3 种高粱籽粒进行观察，将颗粒均匀饱满的高粱籽粒从脐缝中一切为二，用镊子将颗粒固定在载物台上进行观测。放大2 000 倍，观察高粱籽粒内部颗粒微观形态。

1.3.2 高粱淀粉的提取

采用湿磨法[8]提取高粱淀粉。高粱籽粒的种皮中含有大量的单宁和红色素，因此在提取淀粉时，首先要去除种皮，常用的方法是碱法去皮。称取100 g高粱样品，清洗干净后，加200 mL蒸馏水，其中含2.5 g/L NaOH，5 ℃浸泡24 h。取出后用清水反复清洗，再将其浸泡在200 mL 60 g/L NaOH溶液中，55 ℃水浴10 min。用大量清水洗掉种皮后，加适量水用组织捣碎机高速打磨，直到可以通过200 目筛为止。将过筛物静置1 h，去除上层灰白色的非淀粉物质，然后1 500 r/min离心10 min，去除上层灰白色的非淀粉物质，将得到的淀粉摊开放入培养皿中，40 ℃烘箱内过夜。粉碎后即得到高粱淀粉样品。

1.3.3 理化指标测定

淀粉质量分数的测定：参照GB 5009.9—2016《食品安全国家标准 食品中淀粉的测定》[9]；蛋白质量分数的测定：参照GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》[10]；直链淀粉质量分数的测定：参照GB/T 15683—2008《大米 直链淀粉含量的测定》[11]；粗脂肪质量分数的测定：参照GB/T 5009.6—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》[12]；乙醇体积分数、总酸质量浓度的测定：参照GB/T 13662—2008《黄酒》[13]；还原糖质量浓度的测定：3,5-二硝基水杨酸比色定糖法[14]。出酒率按式（1）计算。

碘蓝值的测定参照文献[15]：取2 支500 mL容量瓶作平行样，加蒸馏水至近刻度，65.5 ℃预热并定容至刻度，另取2.5 g样品于500 mL烧杯中，倒入500 mL预热的蒸馏水，65.5 ℃搅拌5 min，静置1 min后过滤，滤液保持于65.5 ℃并趁热吸取5 mL于50 mL显色管，1 mL 0.02 mol/L碘标准溶液定容至刻度，同时取1 mL 0.02 mol/L碘标准液，定容至50 mL以作试剂空白，以试剂空白调零点，测定样品在650 nm波长处吸光度A。碘蓝值按式（2）计算。

透光率的测定参照文献[16]：将淀粉样品加水配成质量分数1%的淀粉乳，取50 mL放入100 mL烧杯中，置于沸水浴中加热搅拌15 min，并保持原有体积，冷却至25 ℃。用1 cm的比色杯在620 nm波长处测淀粉糊的透光率，以蒸馏水作为空白，设蒸馏水的透光率为100%。

1.3.4 3 种高粱淀粉溶解度及膨胀度测定

3 种高粱淀粉溶解度及膨胀度的测定参照文献[17-18]，配制50 mL质量分数2%的淀粉乳，在一定温度下（分别取30、40、50、60、70 ℃），加热搅拌30 min后，以3 000 r/min离心20 min，取上层清液离心蒸干，于105 ℃下继续烘干至质量恒定后称质量，得到溶解淀粉量，按式（3）计算其溶解度；称量离心管中膨胀淀粉质量，按式（4）计算其膨胀度，绘制其与温度变化曲线。

式中：mA为清液烘干至质量恒定后的残留物质量/g；mW为样品干基质量/g；mP为沉淀物质量/g；S为溶解度。

1.3.5 3 种高粱淀粉糊化特性测定

参考文献[19]的方法，称取一定量的干淀粉，按质量比2∶1加入蒸馏水配成一定浓度的淀粉乳，搅拌均匀，密封，在3～4 ℃的冰箱内静置24 h，取出，搅拌均匀，准确称取10～15 mg淀粉乳，放入铝盒内，密封，平衡1 h后，以10 ℃/min的速率从35 ℃加热到100 ℃，空盒作参比，绘制热力学曲线谱图，记录和计算起始糊化温度、顶点糊化温度、终点糊化温度及热焓值。

1.3.6 高粱黄酒酿造工艺流程

料液比1∶4、发酵温度30 ℃、发酵时间10 d，糖化酶添加量为高粱干质量的0.3%，麦曲添加量为高粱干质量的20%，酵母添加量为高粱干质量的0.2%[20]。

1.3.7 挥发性风味物质测定

挥发性风味物质测定参考文献[20]的方法。样品处理：采用50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取头对黄酒样品中的挥发性成分进行萃取。在15 mL的顶空瓶中加入8 mL黄酒样品、2.5 g NaCl，插入萃取头，于50 ℃吸附萃取45 min，230 ℃条件下解吸5 min，用于GC-MS的数据采集分析。

GC条件：进样温度230 ℃，载气He，分流进样，分流比50∶1，流速1 mL/min。色谱柱型号为DBWAX（30 m×0.25 mm，0.25 μm），初始柱温为35 ℃，保持4 min，以5 ℃/min的速率升温至150 ℃，保持2 min，以3 ℃/min的速率升温至210 ℃。

MS条件：EI电离源，电子能量70 eV，离子源温度200 ℃，扫描范围30.00～350.00 u。

定量方法：采用以2-辛醇为内标的半定量法[21]。

1.4 数据处理与分析

每个实验在相同实验条件下重复操作3 次，结果以平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 3 种高粱籽粒微观形态分析

淀粉颗粒的状态决定了淀粉的性质，高粱籽粒的内部结构对淀粉的性质及其应用有很大的影响[22]。田晓红等[23]研究表明，高粱淀粉颗粒为不规则形状，少数为球形，表面光滑，淀粉颗粒粒径在5～20 μm之间波动。

图1 3 种高粱籽粒内部微观形态Fig. 1 Microstructure of sorghum grains from three varieties

如图1所示，‘晋杂22号’的淀粉颗粒形状不规则、大小不一，以圆形为主，颗粒间较为松散。‘晋粱白2号’的淀粉颗粒较大，颗粒间较紧密并且有凝胶物质存在。‘晋粱白3号’的淀粉颗粒大小比较均匀，以椭圆形为主，表面光滑，颗粒间较紧密并且有凝胶物质存在，与蛋白质、脂肪等其他物质结合紧密。

2.2 3 种原料理化指标

表1 3 种高粱理化指标Table 1 Physicochemical indicators of three kinds of sorghum

如表1所示，3 种高粱的淀粉质量分数较为接近，蛋白质质量分数也较为接近。直链淀粉质量分数较低的是‘晋粱白2号’和‘晋粱白3号’。粗脂肪质量分数最低的是‘晋粱白3号’。碘蓝值是反映淀粉的碘结合性能的一项指标。透光率可用来表征淀粉糊的透明程度，淀粉的来源及种类是影响它的主要原因，其次是糊化后淀粉分子重新排列互相缔合的程度。透明度反映了淀粉与水的互溶能力以及淀粉颗粒在水中溶胀分散的程度，分散程度越大越均匀，光线透过量就越大，透光率就越高[24]。由于直链淀粉的显色度高于支链淀粉，故含有较高直链淀粉的‘晋杂22号’的碘蓝值就相应较高，而含有较少直链淀粉的‘晋粱白3号’的透光率就相应较高，透明度也就较高。

2.3 3 种原料淀粉溶解度及膨胀度的分析

图2 不同温度下3 种高粱淀粉的溶解度曲线（A）和膨胀度曲线（B）Fig. 2 Solubility curves (A) and expansion curves (B) of three sorghum starches at different temperatures

从图2可知，3 种高粱淀粉的溶解度和膨胀度均随着温度的上升而增加，并且在50 ℃时开始明显增加。‘晋杂22号’的溶解度最高，‘晋粱白3号’的膨胀度最高。研究表明，直链淀粉含量高的高粱溶解度较高，支链淀粉含量高的高粱膨胀度较高。

2.4 3 种高粱淀粉的糊化特性

表2 3 种高粱淀粉的糊化特性参数Table 2 Gelatinization characteristics of three sorghum starches

在淀粉糊化的过程中，淀粉颗粒在水中因受热吸水膨胀，使其分子内和分子间的氢键破裂，结晶结构被破坏，淀粉颗粒扩散，可溶性淀粉溶出[25]。从表2可以看出，‘晋杂22号’和‘晋粱白2号’在60～100 ℃之间存在一个明显的吸热峰，而‘晋粱白3号’在50～80 ℃之间有一个明显的吸热峰。前两种高粱的糊化温度较高，这说明这两种淀粉颗粒中的结晶结构在较高的温度条件下才可被破坏，而‘晋粱白3号’的糊化温度较低，说明其淀粉颗粒结构较容易被破坏。淀粉的相变吸热焓代表在相转变过程中双螺旋链的解开和融化所需要的能量[26]。由表2可知，‘晋粱白3号’的相变吸热焓最低，‘晋杂22号’和‘晋粱白2号’的相变吸热焓较高。说明‘晋粱白3号’淀粉中双螺旋链较少，与淀粉颗粒结晶区相邻的支链淀粉双螺旋的相互作用力较弱，淀粉颗粒中的分子排列无序化，使淀粉更容易糊化[27]。

2.5 3 种高粱发酵过程的乙醇体积分数、还原糖质量浓度、总酸质量浓度和出酒率的变化

表3 3 种高粱发酵过程中乙醇体积分数、还原糖、总酸和出酒率的变化Table 3 Changes in alcohol, reducing sugar, total acid and liquor yield of three sorghum Huangjiu at different fermentation stages

由表3可知，3 种高粱的乙醇体积分数、总酸质量浓度和出酒率随着发酵时间的延长逐渐增加，还原糖质量浓度在第2天剧烈降低，其后趋于平缓。不同品种高粱的淀粉、蛋白质、单宁和脂肪等成分含量不一样，其含量与出酒率和酒的品质有着密切的关系[28]。根据对一些不同酒厂成品酒进行的调查，发现含淀粉含量高尤其是支链淀粉含量高，蛋白质、单宁含量适中，脂肪含量较少的高粱是较为适合酿白酒的原料[29]。宋高友等[30]的研究也发现高粱籽粒中各种成分的含量能够很大程度上影响酒的品质和出酒率，出酒率尤其受淀粉和蛋白质含量的影响，淀粉含量高的，出酒率也相对较高，其次是蛋白质含量，它与出酒率也呈一定的正相关。在整个发酵过程中，‘晋粱白3号’的出酒率最高，其支链淀粉质量分数也最高，这个结果再次印证了这个结论。GB/T 13662—2008中规定，传统型干黄酒的总糖质量浓度不大于15 g/L、乙醇体积分数不小于8.0%、总酸质量浓度在3.0～7.0 g/L之间，本实验数据均符合国家标准。

2.6 3 种高粱黄酒发酵过程中的挥发性风味物质的种类及含量变化

3 种高粱在发酵过程中检测到的挥发性风味物质的总离子流色谱图如图3所示。

图3 3 种高粱黄酒发酵过程中的挥发性风味物质总离子流色谱图Fig. 3 Total ion current chromatograms of volatile flavor substances in three sorghum Huangjiu

表4 3 种高粱发酵过程中挥发性风味物质的种类Table 4 Classes of volatile flavor substances in three sorghum Huangjiu

如表4所示，‘晋粱白3号’检测到110 种风味物质，是3 种高粱中最多的。在所有的风味物质中，醇类和酯类是最主要的香味成分，占有很大的比例。

表5 3 种高粱发酵过程中挥发性风味物质质量浓度Table 5 Total contents of volatile flavor substances in three sorghum Huangjiu

如表5所示，‘晋杂22号’、‘晋粱白2号’和‘晋粱白3号’在发酵过程中检测到的风味物质质量浓度分别是392.210、344.342、635.695 mg/L，其中，醇类和酯类是黄酒香气的主要来源，质量浓度分别是199.475、188.200、246.047 mg/L。由此可得，‘晋粱白3号’不仅挥发性风味物质质量浓度最高，醇类和酯类物质的质量浓度也是最高的。除此以外，‘晋粱白3号’的酮类、醛类和吡嗪类风味物质的质量浓度也是3 种高粱中最高的。

‘晋杂22号’在发酵最后一天检测到了47 种风味物质，其中，烷烃类物质10 种，醇类物质11 种，酯类物质12 种，酮类物质1 种，醛类物质1 种，酚类物质1 种，其他4 种。风味物质中，异丁醇、异戊醇、苯乙醇、己酸乙酯、油酸乙酯、十六酸乙酯、2-甲氧基-4-乙烯基苯酚的质量浓度相对较高，是‘晋杂22号’的主要香气成分。

‘晋粱白2号’在发酵最后一天检测到了43 种风味物质，其中，烷烃类物质10 种，醇类物质14 种，酯类物质19 种，酮类物质1 种，醛类物质1 种，酸类物质2 种，酚类物质1 种，其他2 种。风味物质中，异丁醇、异戊醇、苯乙醇、丙三醇、2,3-丁二醇、十六酸乙酯、9,12-十八碳二烯酸乙酯、5-己基二氢-2(3H)-呋喃酮、2-甲氧基-4-乙烯基苯酚的质量浓度相对较高，是‘晋粱白2号’香气的主要来源。

‘晋粱白3号’在发酵最后一天共检测到了42 种风味物质，其中，烷烃类物质12 种，醇类物质10 种，酯类物质16 种，酮类物质1 种，酚类物质1 种，其他2 种。风味物质中，苯乙醇、异戊醇、异丁醇、2,3-丁二醇、十六酸乙酯、9,12 -十八碳二烯酸乙酯、油酸乙酯、5-己基二氢-2(3H)-呋喃酮、2-甲氧基-4-乙烯基苯酚的质量浓度相对较高，是‘晋粱白3号’的主要风味物质。

醇类物质可以由糖代谢、氨基酸脱氢脱羧作用产生，是陈化酯类物质的前体物质[31]。3 种高粱发酵最后一天共检测到了17 种醇类，其中3 种高粱共有的有6 种，分别是异丁醇、异戊醇、苯乙醇、2,3-丁二醇、3-甲硫基丙醇和丙二醇。醇类物质在3 种黄酒的风味物质中种类相近且质量浓度最高。苯乙醇在整个发酵周期是所有的香气成分中含量最高的醇类物质，具有玫瑰香味，可由酵母细胞通过苯丙酮酸或艾氏途径生成[32]。发酵最后一天时苯乙醇的质量浓度分别为‘晋杂22号’7.859 mg/L、‘晋粱白2号’15.768 mg/L、‘晋粱白3号’13.932 mg/L，可以看出‘晋粱白2号’和‘晋粱白3号’中的苯乙醇质量浓度较高。异戊醇质量浓度仅次于苯乙醇，具有青草、植物的香气[33]，发酵最后一天‘晋粱白2号’中的异戊醇质量浓度最高。另外，异丁醇具有酒香、溶剂香[34]。2,3-丁二醇含有甜味并能改善酒体风味，3-甲硫基丙醇具有芬芳气味[35]。

酯类化合物是黄酒中重要的呈香物质，其可以通过醇和脂肪酸的酯化或者在乙酰基转移酶的作用下，以乙酰基辅酶A和醇作为底物在微生物细胞中合成[36]，并且大多数酯类物质具有花香或水果香[37]。3 种高粱黄酒发酵最后一天检测到的酯类物质种类最多，其含量仅次于醇类物质。其中，己酸乙酯、辛酸乙酯、葵酸乙酯、十二酸乙酯、十四酸乙酯、十六酸乙酯、9,12-十八碳二烯酸乙酯和丁二酸乙酯为3 种黄酒共有，并且在发酵最后一天大多数酯类物质在‘晋粱白3号’中的质量浓度最高。酯类中含量最高的十六酸乙酯有微弱的蜡香和奶油香气，丁二酸二乙酯有特殊的令人愉悦的葡萄香气和隐约淡雅的酒香[38]。

醛酮类物质常常具有特殊的香气，同时能使得酒体香气趋于融合、协调[39]。但是这3 种黄酒的醛酮类物质种类很少并且质量浓度较低。烷烃类化合物的种类和质量浓度最多，但是气味微弱，一般可忽略[40]。检测到的酚类物质只有2-甲氧基-4-乙烯基苯酚一种，具有强烈香辛料、丁香和炒花生的味道[41]。

3 讨 论

本研究采用扫描电子显微镜观察高粱籽粒淀粉，结果表明，高粱籽粒内部的淀粉颗粒大小不均、形状不规则，多数为椭圆形，少数为球形。不同类型高粱籽粒内部的粉质区域结构有紧密与疏松的区别，淀粉含量高的尤其是支链淀粉含量的高粱内部结构相较于淀粉含量低的高粱更加紧密，颗粒间的连接物质更多。其次，提取了3 种高粱淀粉，并检测了淀粉的碘蓝值、透明度、溶解度、膨胀度和糊化特性，结果显示，‘晋粱白3号’的碘蓝值较低、透明度较高、膨胀度较高、糊化温度较低，说明支链淀粉含量不同，对淀粉理化指标产生了较大的影响。另外，本研究还检测了‘晋杂22号’、‘晋粱白

2号’、‘晋粱白3号’发酵过程中的乙醇体积分数、总酸质量浓度、还原糖质量浓度和出酒率，这3 种原料的组成成分不同，对酒的品质有明显影响，‘晋粱白3号’的支链淀粉含量最高，酿造过程中出酒率也保持最高。此外，还采用顶空固相微萃取和GC-MS联用技术，检测了3 种高粱发酵过程中挥发性风味物质的种类和质量浓度变化，这3 种黄酒分别检测到挥发性风味物质102、109 种和110 种，总质量浓度分别为392.210、344.342、635.695 mg/L。3 种黄酒在香气成分组成和含量上有一定的相似性，醇类物质和酯类物质都是主要的香气成分，其中‘晋粱白3号’的风味物质总含量以及醇酯类物质含量最高。并且发酵最后一天‘晋粱白3号’的风味物质种类和含量都更丰富，可以证明淀粉含量对挥发性风味物质产生了积极的影响，促进了黄酒品质的提高，同时为黄酒原料的选择提供了理论依据。