高粱吸水率和膨胀率测定参数优化及应用

张丽平，张 敏，侯格妮，袁先群，吴建霞，杨 浩

（贵州茅台酒股份公司 质量部，贵州 仁怀 564501）

高粱（Sorghum bicolor（L.）Moench）是酿造白酒的主要原料，按性状及用途可分为食用高粱、糖用高粱、帚用高粱等，其中食用高粱谷粒供食用、酿酒。在白酒生产工艺中，润料的目的是让高粱中的淀粉颗粒充分吸收水分，为蒸煮时淀粉糊化或为直接生料发酵创造条件，而蒸煮的目的就是在润水的基础上使淀粉颗粒进一步吸水糊化，生成有利于微生物利用的糖类，以利于后续的糖化发酵[1-2]。因而，吸水性和膨胀性作为评价高粱蒸煮品质的重要指标[3-4]，会直接影响出酒率及酒体的质量[5-6]，所以，各酒企对高粱品质都有着严格的要求[7-9]。有研究表明[10-14]，支链淀粉分子组成分枝较多，易吸水膨胀，有利于微生物的分解利用，更容易转化为乙醇和多种风味物质，而直链淀粉具有抗润胀性，破碎值低，不易被糊化，其糖化性能、发酵性能相对较差，且容易发生短期的老化回生，导致微生物利用困难。所以在酿造原料的选择方面，应该结合生产工艺等实际情况因地制宜，选择合适的酿酒原料。

高粱淀粉的种类与含量的高低与高粱的产地及品种有着直接的关系，我国高粱产区可以分为以华北、东北为主的北方地区和以四川、贵州为主的西南地区[15]。有研究表明：不同产地高粱在吸水、膨胀等蒸煮特性方面存在一定的差异[4，16-18]；而不同的干燥方式和温度对稻谷淀粉的含量和品质也存在一定的影响[19]。

本研究以高粱为原料，采用单因素试验及正交试验探究加热温度、加热时间、料液比对高粱吸水率和膨胀率的影响；并探讨了不同产地、不同干燥方式处理的高粱样品吸水率和膨胀率的差异性，以期为酿酒行业对高粱的选择和验收提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

高粱样品共5份，分别编号1#、2#、3#、4#、5#，详细信息见表1。

表1 高粱样品的产地及外观特点Table1 Origin and appearance characteristics of sorghum samples

1.2 仪器与设备

DK-98-Ⅱ电热恒温水浴锅：江苏科析仪器有限公司；ME4002E电子天平（感量0.01 g）：METTLER TOLEDO（中国）有限公司；Milli-Q IQ 7000纯水机：Millipore公司；DGX-9143BG1鼓风恒温干燥箱：上海沪粤明科学仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 吸水率和膨胀率的测定

高粱吸水率是指高粱在一定条件下吸收水分的质量占高粱质量的百分比，膨胀率是指高粱因吸收水分增加的体积占原体积的百分比。吸水率和膨胀率测定参照范志勇等[20]的方法，稍作改动。用四分法取样，称取60 g（m0）的高粱1#样品，按照1∶5（g∶mL）料液比，加入超纯水，将其放入恒温水浴锅中加热60 min后取出，确保高粱颗粒的完整无破损，用纱布和滤纸吸干表面水分，称量水浴加热后的高粱质量（m1），用量筒分别测定水浴前后高粱样品体积V0（水浴前）和V1（水浴后），计算高粱的吸水率和膨胀率，其计算公式如下：

1.3.2 高粱水分测定

高粱样品水分测定依据GB 5009.3—2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》[21]。

1.3.3 高粱吸水率和膨胀率测定参数优化

（1）单因素试验

称取60g备用的高粱1#样品5份，分别按不同料液比（1∶3、1∶5、1∶7、1∶9、1∶11（g∶mL））加入不同温度（20 ℃、40 ℃、60 ℃、80 ℃、100 ℃）超纯水，并将其置于恒温水浴锅中分别加热不同时间（40 min、60 min、80 min、100 min、120 min），分别考察料液比、加热温度、加热时间对高粱样品吸水率和膨胀率的影响。

（2）正交试验设计

在单因素试验的基础上，以吸水率和膨胀率为考察指标，以加热温度（A）、加热时间（B）和料液比（C）为影响因素，进行3因素3水平的正交试验，确定高粱吸水率和膨胀率测定的优化参数。正交试验因素与水平见表2。

表2 测定参数优化正交试验因素与水平Table2 Factors and levels of orthogonal experiments for measurement parameters optimization

1.3.4 不同产地高粱吸水率和膨胀率的差异性

所测高粱样品水分含量相同，在上述优化参数条件下，根据1.3.1中的方法分别测定高粱1#、高粱2#、高粱3#、高粱4#和高粱5#的吸水率和膨胀率，比较不同产地高粱吸水率和膨胀率的差异性。

1.3.5 不同干燥方式高粱吸水率和膨胀率的差异性

称取10份60 g的高粱1#样品，每2份一组，5组高粱样品分别经自然光照干燥10 h、烘箱40 ℃烘8 h、烘箱100 ℃烘1 h、平底锅翻炒8 min、平底锅翻炒20 min处理后，各取1份测水分含量，另1份根据优化后的参数测吸水率和膨胀率，比较不同干燥方式高粱吸水率和膨胀率的差异性。

1.3.6 数据分析

用Excel 2007处理数据，Origin 8.0绘制图表，Minitab16进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果分析

2.1.1 加热温度对高粱样品吸水率与膨胀率的影响

由图1可知，随着加热温度在20～100 ℃范围内的升高，高粱样品的吸水率和膨胀率均随之而增大。在20～60 ℃范围内，吸水率和膨胀率上升速度缓慢，吸水率和膨胀率分别由35.04%和36.20%上升至48.65%和44.44%；在60～80 ℃范围内，吸水率和膨胀率上升速度加快，且吸水率的增速大于膨胀率，吸水率和膨胀率分别由48.65%和44.44%上升至59.67%和56.25%。这可能是因为高粱淀粉属限制型膨胀淀粉，存在初始膨胀阶段和迅速膨胀阶段，为典型的二段膨胀过程[22]。吸水率与膨胀率快速增长，高粱因膨胀而出现破裂，加入沸水的试验样在1 h左右慢慢变成糊状，故此加热温度下的吸水率和膨胀率测定结果不准确，不具实际参考意义。综合考虑，选择最适加热温度为80 ℃。

图1 加热温度对高粱样品吸水率与膨胀率的影响Fig.1 Effect of heating temperature on water absorption rate and expansion rate of sorghum samples

2.1.2 加热时间对高粱样品吸水率与膨胀率的影响

由图2可知，随着加热时间在40～120 min范围内的增加，高粱样品的吸水率和膨胀率均随之先增加后平稳。在加热时间40～100 min内，吸水率增速较膨胀率快，吸水率由42.80%升至61.78%，膨胀率由48.50%升至59.47%；在100～120 min内，吸水率和膨胀率均基本不变。已有研究表明，高粱吸水率与高粱品种有关，且随着浸泡时间的增加其表面结构被破坏，高粱吸水率会缓慢上升，且高粱内部会发生生理变化[23-25]。综合考虑，选择最适加热时间为100 min。

图2 加热时间对高粱样品吸水率与膨胀率的影响Fig.2 Effect of heating time on water absorption rate and expansion rate of sorghum samples

2.1.3 料液比对高粱样品吸水率与膨胀率的影响

由图3可知，随着料液比在1∶3～1∶7（g∶mL）范围内的变化，高粱样品的吸水率和膨胀率均随之增加；在料液比为1∶7（g∶mL）时，吸水率与膨胀率均达到最大值，吸水率与膨胀率分别为63.52%和62.96%；料液比在1∶7～1∶11（g∶mL）时，吸水率与膨胀率均基本不变。综合考虑，选择最适料液比为1∶7（g∶mL）。

图3 料液比对高粱样品吸水率与膨胀率的影响Fig.3 Effect of solid-liquid ratio on water absorption rate and expansion rate of sorghum samples

2.2 测定参数优化正交试验结果及分析

在单因素试验的基础上，以吸水率和膨胀率为考察指标，选取加热温度（A）、加热时间（B）、料液比（C），进行3因素3水平的正交试验，正交试验结果与分析见表3，正交试验结果方差分析见表4。

表3 测定参数优化正交试验结果与分析Table3 Results and analysis of orthogonal experiments for measurement parameters optimization

表4 正交试验结果方差分析Table4 Variance analysis of orthogonal experiments results

由表3可知，根据极差值R和R'，可知，各因素对高粱吸水率和膨胀率的影响主次顺序均为：A（加热温度）＞B（加热时间）＞C（料液比）。以吸水率和膨胀率为考察指标，最优参数条件组合均为A3B3C2，即加热温度85 ℃，加热时间110 min，料液比1∶7（g∶mL）。在此优化条件下进行3次平行验证试验，吸水率和膨胀率均值分别为68.13%和65.60%。

由表4可知，因素A（加热温度）对于高粱样品的吸水率和膨胀率均有极显著的影响（P＜0.01），而因素B（加热时间）和C（料液比）对高粱样品的吸水率和膨胀率的影响均不显著（P＞0.05）。

2.3 不同地区高粱样品吸水率和膨胀率的差异

由图4可知，西南地区高粱样品1#（吸水率67.71%和膨胀率64.07%）、样品2#（吸水率80.72%和膨胀率68.25%）和样品3#（68.54%和61.33%）均高于东北高粱样品4#（吸水率61.22%和膨胀率48.81%）和江苏高粱样品5#（吸水率48.20%和膨胀率40.00%），这与何诚等[26-27]的研究结论一致，可能与高粱内部淀粉种类和组成有关，西南地区高粱多为糯高粱，支链淀粉含量高，支链淀粉分支结构多，具有较强的吸水性和持水力；另外，同为西南地区的高粱样品1#和3#吸水率（67.71%和68.54%）和膨胀率（64.07%和61.33%）要低于样品2#（吸水率80.72%和膨胀率68.25%），并且在优化试验条件下处理高粱样品，样品1#和3#颗粒出现少部分破裂，样品2#只是颗粒变软并未破裂，这可能与不同品种的高粱种皮厚度和颗粒大小有关。故在酿酒高粱选择时应根据自身生产工艺特点选择适合的高粱品种。

图4 不同产地高粱样品的吸水率和膨胀率差异性Fig.4 Difference of water absorption rate and expansion rate of sorghum samples from different producing areas

2.4 不同干燥方式高粱吸水率和膨胀率的差异性

由表5可知，自然光干燥10 h、烘箱40 ℃烘8 h及短时间的翻炒处理对高粱吸水率和膨胀率的影响较原样均不超过±2%；而高温干燥和长时间翻炒处理使得高粱样品的吸水率和膨胀率都开始下降，高温干燥处理后吸水率和膨胀率分别由68.13%和65.60%下降至57.22%和45.75%；长时间翻炒处理后使得高粱样品的吸水率和膨胀率分别由68.13%和65.60%下降至59.32%和47.17%，且膨胀率下降较明显。这可能是因为高粱长时间处于高温条件下，淀粉分子内的化学键已发生断裂，分子结构发生变化，有研究表明，温度对谷物的吸水能力有一定的影响，这可能是由于温度的升高，高粱胚乳中淀粉颗粒间形成的羟基键发生了断裂，高粱持水力降低，且随着温度的升高导致高粱的表皮受损[28-29]。从而影响其吸水率和膨胀率。故为保证出酒率及酒质应选择自然或低温干燥达到降低水分的要求。

表5 不同干燥方式高粱样品吸水率和膨胀率的差异性Table5 Difference of water absorption rate and expansion rate of sorghum samples by different drying methods

3 结论

高粱吸水率和膨胀率的最佳测定参数为加热温度85℃、加热时间110 min、料液比1∶7（g∶mL）。在此优化条件下，高粱样品1#的吸水率和膨胀率最优，分别为68.13%和65.60%。西南地区高粱吸水率和膨胀率最高，其次为东北高粱，江苏高粱吸水率和膨胀率最低；低温干燥和短时间的翻炒处理对高粱的吸水率和膨胀率影响不大，而高温干燥和长时间翻炒使得吸水率和膨胀率都开始下降，且膨胀率变化较明显。酒企可根据自身生产工艺要求选择合适的高粱品种，在高粱干燥方式上应选择自然干燥或低温干燥。

本研究结果可为酿酒行业对高粱的选择和验收提供一定的参考依据，但造成不同地区、不同干燥方式处理的高粱吸水率和膨胀率差异的具体原因还有待进一步的研究。