紫(黑)米在酿酒行业中的应用

郑瑞龙，索婧怡，钮成拓，郑飞云，易崇华，圣弟青，王金晶，李崎，刘春凤*

1(工业生物技术教育部重点实验室(江南大学)，江苏 无锡，214122)2(江南大学，酿酒科学与工程研究室，江苏 无锡，214122)3(江南大学 生物工程学院，江苏 无锡，214122)

紫米、黑米是一种富含氨基酸、微量元素和花色苷的有色米种，具有抗癌、抗过敏、抗肥胖和预防动脉硬化、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为口粮，存在附加值低、营养价值不能被高效利用等问题。由于独特的外观与口感、丰富的营养价值和生物活性功能，紫米、黑米逐渐受到广大酿酒师的青睐，在黄酒、啤酒等饮料酒的酿造过程中已有一定的应用。本文从种皮色素研究、营养成分和功能活性方面介绍了紫米、黑米在国内外的研究进展，并对近年来紫(黑)米在酿酒行业的应用进展进行了系统地综述，分析紫米系列酒精饮品的特色和存在的问题。为这类特种有色稻米在酿酒工业中的进一步应用提供了参考依据，对酿酒工业的发展具有重要的指导意义。

1 紫(黑)米简介

水稻(OryzasativaL.)是全世界最重要的谷物作物之一，2017年全球水稻产量为7.70 亿t，同年中国水稻产量为2.14亿t。我国水稻种植历史悠久，早在7 000年前中国长江流域的先民就已开始种植水稻。有色水稻在野生稻(Oryzarufipogon)中广泛存在，并一度因为易落粒、种子萌发率低等问题逐渐被人们淘汰。但由于具有丰富的营养价值，并且随着育种技术的提高，优良的有色水稻品种得以推广，一些米皮偏紫,甚至偏黑的有色米种逐渐被人们关注。

紫(黑)米属于水稻中的特殊品种，其中紫米属糯米类，黑米可分为糯性米和非糯性米。由于国内外相关文献对两者色素物质及营养价值等研究中并未做明显区分，本文综合相关研究进行综述。

1.1 紫(黑)米的种皮色素研究

紫(黑)米果皮颜色根据品种不同深浅不一，主要呈现紫黑色、紫色和浅紫色等。紫色的种皮主要是由于花色苷积累造成，加强对种皮色素物质的遗传性状研究，可有效培育优质紫米种质。NAGAO等[1]发现花色苷颜色的出现取决于产生色原的基因C、起激活作用的基因A和组织特异性调节基因P。紫米种皮的色素沉积由Prp-b和Prp-a基因共同控制，当两者同时存在时种皮呈紫色，Prp-a单独存在种皮呈无色，Prp-b单独存在种皮呈棕色[2-4]。HIROAKI等[5]进一步对比黑米与白米品种，发现了3种与黑色种皮颜色积累相关的基因并命名为：Kala1、Kala3和Kala4，并认为Kala1与之前报道的Prp-b基因、Rd基因和A基因可能为等位基因，Kala4基因编码bHLH转录因子[6-7]。WANG等[8]证实bHLH家族蛋白可参与花色苷和黄酮醇的生物合成途径。目前，已经报道的和紫(黑)米种皮色素沉积相关的蛋白有花色苷合成酶(EC 1.14.20.4)、查尔酮合成酶(EC 2.3.1.74)、黄烷酮-3-羟化酶(EC 1.14.11.9)和二氢黄酮醇-4-还原酶(EC 1.1.1.219)等[9-10]。

紫(黑)米种皮色素的形成除了与相关基因的表达、相互作用之外，与环境也有很大的关系，低温往往会使黑米着色程度加深[2]。紫米种皮色素物质含量已被证实与紫米香味性状有一定联系，且和紫米中离子含量(如Fe2+和 Mg2+)呈正相关[11]。结合遗传性状和培养、贮藏条件对种皮色素物质的影响，可目的性地选育适用于食品酿造行业的适宜色素含量的紫米或黑米品种。

1.2 紫(黑)米中的主要营养物质

淀粉是紫(黑)米以及所有水稻最主要的营养成分，包括低分子质量(105～106)的线性直链淀粉和高分子质量(107～108)的支链淀粉[12]。糯米中的直链淀粉含量<2%，作为酿酒原料可有效提高出酒率。墨江紫米标准规定其直链淀粉(干基)含量≤3.5%，低直链淀粉使得紫(黑)米糊化产物黏性更好，在酿造过程中，糊化后更易被淀粉酶水解成小分子的单糖和糊精[13]，一定量的糊精作为口感物质可提高酒体醇厚度。

不同米种营养成分含量见表1。蛋白质在水稻中的含量仅次于淀粉。紫(黑)米中的蛋白质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、谷氨酸和天冬酰胺为紫(黑)米中的主要氨基酸[13]。黑米中的蛋白可根据溶解性进行分类，主要为谷蛋白(溶于碱性溶液)、醇溶蛋白(溶于乙醇)、球蛋白(溶于盐溶液)和白蛋白(溶于水)，分别占总蛋白质的60%、25%、10%和5%。在酿造过程中，较高的蛋白质含量在一定程度上提高了氨基酸含量，增加香气物质的合成，同时，为提高啤酒泡沫蛋白提供物质基础，相对较少的水溶性蛋白使其在酿造过程中蛋白不易溶解，酿造所得啤酒表面疏水性降低，泡沫稳定性得以提升[15]。在黄酒酿造中则有助于延长酒龄。但蛋白质含量过高会导致酒中异味增加，当使用紫(黑)米作为酿酒原辅料时，可考虑添加一定量蛋白酶或在啤酒糖化工艺中延长蛋白休止时间使蛋白质充分降解。

表1 不同米种营养成分含量[17]Table 1 Nutritional content in different kinds of rice

紫(黑)米相较于普通白米除蛋白质、氨基酸以外，其有机酸、脂肪酸甲酯的含量更高[16]。紫(黑)米的主要脂肪酸为油酸、亚油酸和棕榈酸，这些脂肪酸占总脂肪酸的90%[17]。亚油酸作为人体必需脂肪酸虽有着改善高血压等功效，但脂肪酸含量过高，影响着原料和成品酒的储藏，一定程度上提高了酒体老化风险，应根据需要进行合理控制。除此之外，紫(黑)米中钾(K)、镁(Mg)、钙(Ca)、铁(Fe)、锌(Zn)、锰(Mn)和磷(P)等元素的含量均高于白米[13]，在酿造过程中，微量元素对微生物的生长与代谢有重要影响，如在麦芽汁中添加Fe2+、Zn2+和Mn2+可降低啤酒中双乙酰的含量，保证啤酒风味。

1.3 紫(黑)米花色苷及其功能

除营养物质外，紫(黑)米中的多酚类活性物质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类化合物，主要存在于稻谷果皮中[20]。花色苷是一种水溶性黄酮类化合物，由2个芳香环通过含氧的三碳杂环连接形成(图1)，能够赋予水果、蔬菜和谷物等红色、蓝色和紫色等颜色[20]。目前，已经报道的黑米中的花色苷组分有矢车菊素-3-葡萄糖苷、芍药素-3-葡萄糖苷、矢车菊素-3-二葡萄糖苷、矮牵牛素-3-葡萄糖苷、锦葵素和飞燕草素[21-23]，矢车菊素-3-葡萄糖苷含量占总量的59.3%～82%[24]。花色苷因具有吸引人的颜色和良好的水溶性，常被用于生产天然染料或天然色素，在食品、化妆品和医药等行业都有广泛应用[20,25-26]。

表2 不同品种黑米与白米主要活性物质含量[27] 单位：mg/100 g干重

图1 花色苷的化学结构[21-23]Fig.1 Chemical structures of anthocyanins注：矢车菊素(cyanidin)：R1-OH, R2-H；芍药素(peonidin)：R1-OCH3, R2-H；矮牵牛素(petunidim)：R1-OH, R2-OH3；锦葵素(malvidin)：R1-OCH3, R2-OCH3；花葵素(pelargonidin)：R1-H, R2-H；飞燕草素(delphinidin)：R1-OH, R2-OH

此外，花色苷具有多种生物活性功能，可以通过自身还原机制，清除自由基，稳定单线态氧，能够抗癌、抗炎、抗过敏、抗糖尿病、抗肥胖、抵御认知能力下降和预防动脉粥样硬化、心血管疾病[21]。利用富含花色苷的紫(黑)米制作的酿造酒，不仅具有吸引人的外观，还具有多种生理活性功能和保健作用，这使得紫(黑)米酒成为一款高附加价值的酿造酒。

2 紫(黑)米在酿酒工业的应用

根据国家统计局数据，2018年我国酿酒行业规模以上企业完成酿酒总产量5 631.93万kL，同比增长1.17%。饮料酒产量4 985.30万kL，同比增长0.90%。随着市场消费环境的不断变化，酿造酒产品口味及品类更为丰富，紧紧围绕健康、绿色的健康理念。据市场研究公司Nielsen的报告显示，2018年美国啤酒销量下降了1.8%，但金额却增长了近1%。国内高端啤酒从销量占比上来看，已从2001年的1.90%升高到2019年的10.0%。在大健康时代的今天，随着消费者保健意识的加强，健康饮酒、理性饮酒的理念正不断深入人心。酿酒行业应在适应市场，强化酒类产品品质提升的同时，挖掘多元化酒品种类，开发天然健康、绿色酿酒原料在酿酒行业的应用领域，提升酿造酒的附加值。

紫(黑)米淀粉含量高，水分与蛋白含量适中，非常适合用作酿造原料。利用紫(黑)米酿造相关的饮料酒，口感、香气独特。同时，充分发挥其高矿物质含量，富含多种生物活性物质的特性。因此，酿造紫(黑)米酒，有利于未来食品回归自然、回归天然的潮流模式，拥有广阔的市场前景。

2.1 稻米在酿造酒中应用

谷物是酿造酒生产中必不可少的原料之一，原料的种类、品质特性对最终产品的质量有着重要的影响。其中，稻米作为全世界种植最广泛的谷物原料之一，在酿酒行业中已有广泛应用。

在黄酒中，糯米被认为是最适宜的酿酒原料，支链淀粉含量高的粳糯米，原料出酒率高，其挥发性风味物质的质量浓度也明显高于籼米、粳米和籼糯米，感官品质更优[28]。粳米因直链淀粉含量高于糯米，其酿造黄酒的口感更单薄，有机酸含量较低。籼米中直链淀粉含量更高，蛋白质含量较高，酿造籼米黄酒的出酒率低，味道更为酸涩[29]。

在啤酒中，除麦芽原料外仍会添加诸多如大米、小麦、玉米、玉米淀粉和糖浆等辅料以提高麦芽收率、改善麦汁组成、改善啤酒风味和非生物稳定性。其中，稻米是我国常用的啤酒辅料，淀粉含量(75%～82%)远高于麦芽、脂肪含量少、啤酒色泽较浅、泡沫细腻[30]。其缺陷是稻米中氮含量低于麦芽，过多使用大米为辅料可降低麦汁中游离α-氨基氮的含量，导致发酵时间延长，稻米不含有淀粉酶，因此,大多数啤酒制造商会外加淀粉酶和蛋白酶。

2.2 紫(黑)米在黄酒中的应用

黄酒(Chinese rice wine)是中国传统的酒精饮料，以稻米、黍米等谷物为发酵原料，经加曲、酵母等糖化、发酵剂酿造而成，酒精度一般在8%～18%。

利用紫米或黑米进行黄酒酿造，可充分发挥其药用食用价值。CAI等[31]对6种不同的稻米原料采用同种工艺制得黄酒，发现紫米和黑米黄酒的总多酚含量与抗氧化活性明显高于圆糯米和红米。紫米、黑米黄酒中含有传统糯米酒中含量很少甚至不含的花色苷，DPPH自由基清除能力与其花色苷含量呈正相关性，使其抗氧化活性高于普通白糯米米酒[32]。但由于花色苷稳定性较差，酿造过程中含量会不断下降，如发酵醪液中花色苷含量远低于原料，经洗米、润粮后的初始糖化醪液中矢车菊素含量下降53.35%。成品酒保藏期越长，花色苷含量也越低[33]。对此，如何减少花色苷损失、提高成品酒中花色苷的稳定性需要进一步研究。

酒曲是黄酒酿造过程中的糖化发酵剂，可以起到糖化、发酵和生香的重要作用。目前，黑糯米酒工艺主要使用根酶为糖化发酵剂，苏伟等[34]对我国贵州地区10种具代表性的黑糯米酒曲进行对比发现，黑糯米酒曲中的糖化酶活力与发酵醪的总酸呈正相关，与发酵醪pH、氨基态氮呈负相关；液化酶活力与发酵醪的pH呈负相关；酒曲的发酵力与发酵醪中总酸、还原糖、氨基态氮和杂醇油呈负相关。赵旭[35]使用酶协同微生物酿造黑糯米酒，添加Q303根酶曲和高效酵母从而解决黑糯米酒酿造过程中酒度低、发酵周期长的问题。通过改良工艺得到的黑糯米酒酒精度、总糖、总酸和花色苷含量均高于传统酿造工艺。

传统方法酿造紫米或黑糯米酒存在发酵困难、糖分含量高和出酒率低等问题。这是由于紫(黑)米中脂肪、蛋白质成分较高，造成其发酵过程中生酸幅度大，最终得到的米酒汁得率低，产品酸味突出，口感不好。熊华等[36]通过加入高出汁量的糯米，控制紫糯的质量比为1∶3，以提高紫米酒出酒率，调整发酵温度为30 ℃、发酵时间为48 h、加曲量为0.8%以减少生酸，控制总酸与糖类物质变化，制备得到的紫米黄酒出汁率高、酸度低、增香效果好并提出对紫米酒发酵的影响因素的强弱依次为：发酵时间>加曲量>发酵温度。KIM等[32]发现黑米酿造黄酒酸味较高，成品酒中乳酸菌的数量与黑米添加量呈正相关，综合感官品评得出最好的黑米添加量为20%。

液化法酿造黄酒作为一种新工艺，机械化和自动化程度高，相较传统工艺可节省50%以上能源，基本可实现废水零排放[37]。但是王琴等[38]对比黑糯米酒固、液态发酵法，发现液态法酿造黑糯米酒口味淡、偏酸、有霉味，虽在酿造工艺上可简化操作，降低劳动程度，但在分离去除杂菌的同时，仍会去除部分对风味物质产出有重要贡献的有益菌。

近年来，多种食材、药材的使用使得保健型紫(黑)米黄酒的问世，如李辰等[39]使用黑豆、黑米、糯米为原料辅以黄酒工艺酿造出一款新型黑米黄酒。禹晓婷[40]、QI等[41]以玛卡、人参等12味药食同源物质作为制曲基质，发酵得到了品质较好的黑糯米保健酒，可有效地调节小鼠血清肾功能，具有补肾作用。

2.3 紫(黑)米在啤酒中的应用

大米在啤酒行业已经长期作为一种重要的辅料，可显著地增加浸出物含量。其中，紫米、黑米等有色米种也得到啤酒酿造者们的许多关注。目前已经研制出诸多如10、12和14°P的黑米辅料啤酒以及添加入枸杞、青稞、玫瑰和添加玛咖、紫娟茶的紫(黑)米啤酒[42-43]。

USANSA等[44]对黑米进行了发芽制麦处理，发现发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)，用其制备的协定麦汁色度分别为：EBC5.48(非糯性黑米)和EBC7.08(黑糯米)且无麦汁过滤困难问题，酿造潜能与能力高于一般稻米。但值得注意的是黑米米粒硬、蛋白含量高、谷皮多酚类物质含量高，酿造过程中应适当延长蛋白休止时间和煮沸时间以保证蛋白质分解完全。此外，糊化糖化期间分别添加0.2 g/L硅藻土可吸附黑米皮中的苦涩成分[45]。

ZHANG等[46]对成品黑米啤酒的挥发性风味物质进行分析，发现橙花叔醇、香叶醇和香叶基香叶醇为黑米啤酒产生的特殊风味物质。香叶基香叶醇有抗肿瘤、抗菌等生理活性，香叶醇是机体合成紫杉醇和类固醇等萜类化合物的重要前体物质。

目前，基于黑米为原辅料酿造啤酒的抗氧化活性、花色苷成分变化研究鲜有报道，啤酒中总多酚含量与抗氧化能力呈正相关，且对啤酒非生物稳定性有一定影响[47-48]，因此，有必要考察紫(黑)米啤酒酿造过程中抗氧化物质种类及抗氧化活性的变化规律，为成品啤酒中抗氧化功能的保持提供科学依据。

2.4 其他紫(黑)米酒精饮料

除上述紫(黑)米黄酒和紫(黑)米啤酒外，紫米与黑米还可以用于其他酒精饮料的生产。蜂蜜酒是一类将蜂蜜加水稀释，经过发酵酿制而成的酒精饮品。KOGUCHI等[49]使用黑米和蜂蜜酿制蜂蜜酒(Mead)，酒精度约为10%(体积分数)，相较于添加一般大米或不添加大米的蜂蜜酒有着更强的抗氧化活性。KATOH等[50]进一步研究发现，使用紫云英(Chinese milk vetch)蜂蜜酿造黑米蜂蜜酒，花色苷质量浓度可达35 mg/L，且有着更好的香气与口味。

3 结束语

我国是紫米、黑米资源最为丰富的国家，有着悠久的种植历史。因其富含花色苷等生物活性物质以及不含麸质的特性，将紫米、黑米与酿酒相结合，不仅可以丰富产品品类与风味，更可以增加产品的附加值，提高产品质量以满足消费者的需求，进一步适应酿酒行业发展的要求。

目前已有多款紫、黑米类酒精饮品问世，并在原料配比、酿造工艺和风味物质分析上有一定进展。但是将紫米与黑米广泛应用于酿酒行业仍存在一定问题：(1)需解析紫米或黑米酒酿造过程中生物活性物质如花色苷的变化，并有效提高成品酒中花色苷稳定性；(2)进一步选育适配紫米或黑米发酵特点的酵母或发酵菌群；(3)针对米种特色与成分特性，设计规范的原料标准，系统、通用的酿造工艺流程，以实现紫米或黑米酒产业化，促进中国特色米种资源的高效利用，促进酿酒行业的多元化发展。