王 洋

（濰坊工程職業(yè)學院，山東青州 262500）

近年來，超聲波技術在天然活性成分提取和促進傳質(zhì)方面有著廣泛的應用，它是一種彈性波，穿透力強，能加快有效成分的轉(zhuǎn)移和提取，縮短提取時間，提高效率[1]。超聲波對底物蛋白酶解作用的效果主要是由于超聲波的物理機械作用及化學效應，而這兩種作用主要體現(xiàn)在對酒糟的微觀結(jié)構(gòu)上[2,3]。在啤酒釀造中，選擇大麥為原料可以顯著地降低能耗及對環(huán)境的污染。但未發(fā)芽大麥顆粒堅硬，韌性大，粉碎較困難，大麥內(nèi)容物不易溶解，麥汁浸出率低。前期筆者已經(jīng)研究了超聲輔助大麥啤酒糖化的工藝，得到了最佳的工藝參數(shù)。在此基礎上，本文主要研究了超聲處理對大麥酒糟微觀結(jié)構(gòu)、納米力學性能的影響。通過研究能更好地了解超聲波技術對大麥酒糟結(jié)構(gòu)的影響，并將超聲波技術應用于啤酒生產(chǎn)中，對大幅度降低生產(chǎn)成本有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 試驗材料

大麥，由永順泰（昌樂）麥芽集團有限公司提供。諾維信Ondea Pro酶，由諾維信中國生物技術有限公司提供。葡萄糖、木糖、果糖、麥芽糖等標準品，北京鼎國昌盛生物技術有限責任公司提供。其他試劑包括酒石酸鉀鈉、苯酚、純鉬酸鈉、硼酸、氫氧化鈉、甲醇、磷酸等，均為國產(chǎn)分析純。

1.1.2 儀器與設備

多模式超聲波試驗臺，江蘇大學自行研制；PHS-3C精密pH計，上海精密科學儀器有限公司；LD5-2A離心機，北京醫(yī)用離心機廠；JSM-64690LV掃描電鏡，日本電子公司；Nicolet IS50傅里葉變換紅外光譜儀，美國尼高力儀器公司；Multimode 8原子力顯微鏡，美國Bruker公司；Bruker ScanAsyst探針，美國Bruker公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 大麥酒糟的超聲處理

把粉碎好的大麥和水按1:4的比例進行稱取，置于37℃水溶液中，攪拌混勻后，按照最佳的工藝參數(shù)進行超聲波輔助處理，具體參數(shù)是超聲功率為831W、超聲處理時間為31min、水浴溫度為44.13℃。超聲處理結(jié)束后攪拌升溫至50℃，按照大麥質(zhì)量0.2%比例連續(xù)攪拌添加Ondea Pro酶，靜置50min；而后攪拌升溫至63℃，靜置50min；而后攪拌升溫至68℃，靜置60min；而后攪拌升溫至78℃，靜置20min，過濾得到酒糟。得到酒糟進行冷凍干燥，微粉粉碎，烘干后，對樣品進行微觀結(jié)構(gòu)的分析，探索超聲波對大麥內(nèi)容物破碎程度的影響。

1.2.2 掃描電子顯微鏡（SEM）分析

分別準確稱量10mg最優(yōu)超聲輔助和未經(jīng)超聲輔助大麥啤酒糖化過濾得到酒糟，加入溴化鉀至3000mg，混合研磨均勻，壓制成薄片，用紅外光譜儀在400～4000cm-1范圍內(nèi)全波段掃描。

掃描條件為：掃描次數(shù)32次，分辨率為4cm-1。測定前先掃描溴化鉀背景光譜，酒糟和溴化鉀混合物的光譜扣除背景光譜后，即為酒糟的紅外光譜。

1.2.3 傅立葉紅外光譜分析

取適量（約1～2mg）被烘干的待測樣品放入瑪瑙研缽中，然后加入適量的KBr（約100mg，粒度200目）進行稀釋，把經(jīng)稀釋過的樣品在紅外燈照射下研磨，磨成粉末狀為止。把研磨好的樣品粉末取適量裝入磨具內(nèi)，放入壓片機中進行壓片，制成的樣品要薄且均勻。把壓好的片裝入樣品夾，制樣結(jié)束。將樣品放于樣品夾上，然后插入儀器樣品室的固定位置上進行掃描。

1.2.4 原子力顯微鏡

酒糟的微觀形貌圖，納米力學圖利用原子力顯微鏡進行表征[4]，顯微鏡工作原理見圖1。具體操作為：分別取5mg樣品粉末溶于10mL 0.01mol/L磷酸鹽緩沖液（pH 8.0）中，4000r/min離心 10min，取上清液 5μL均勻分散到新鮮剝離的云母片表面，然后加蓋置于通風櫥中1h（25℃）。

原子力顯微鏡掃描條件為：采用峰值力PeakForce QNM模式和Bruker ScanAsyst探針以藍寶石為校正基底進行校正；校針系數(shù)為：偏轉(zhuǎn)靈敏度為28.8nm/V，彈性系數(shù)為39.96N/m，針尖半徑為9.2nm；掃描范圍為5μm×5μm，可同時得到微觀形貌圖。對得到的圖譜采用Bruker離線分析軟件Nanoscope Analysis V1.5進行分析和計算，得到樣品的表面粗糙度。

圖1 布魯克多通道原子力顯微鏡工作原理圖Fig.1 Multimode atomic force microscope and its working principle figure

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲處理對大麥酒糟組織結(jié)構(gòu)的影響

未經(jīng)超聲處理酒糟、經(jīng)超聲處理的酒糟的微觀結(jié)構(gòu)如圖 2、3（見下頁）所示。

從圖2中可以看出，未經(jīng)超聲輔助處理的酒糟微觀結(jié)構(gòu)，酒糟表面結(jié)構(gòu)緊密，其結(jié)構(gòu)會阻礙大麥內(nèi)容物的溶解，造成普魯蘭復合酶（Ondea Pro）與大麥本身含有的各種蛋白酶和β-淀粉酶之間的協(xié)同作用不徹底。從圖3中可以看出，經(jīng)超聲輔助處理的酒糟微觀結(jié)構(gòu)，其表面結(jié)構(gòu)被破壞，露出里面纖維素結(jié)構(gòu)，經(jīng)超聲處理后降低了纖維素的結(jié)晶度，增加了普魯蘭復合酶（Ondea Pro）與大麥本身含有的各種蛋白酶和β-淀粉酶以及大麥本身內(nèi)容物的有效接觸面積，從而提高了大麥麥汁的麥芽浸出率。

圖2 未經(jīng)超聲輔助處理酒糟表面掃描顯微鏡圖Fig.2 Scanning electron microscop of distiller's grains by non-ultrasound

圖3 超聲輔助處理酒糟表面掃描顯微鏡圖Fig.3 Scanning electron microscop of distiller's grains by ultrasound

2.2 超聲處理對大麥酒糟傅里葉紅外光譜的影響

超聲處理引起了酒糟微觀結(jié)構(gòu)的變化，這些都會伴隨著化學鍵和蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的變化。傅里葉變換紅外光譜是分子振動光譜，它可以用來分析酒糟中成分的變化，并且不受樣品所處物理狀態(tài)的影響[5]。紅外技術用來分析二級結(jié)構(gòu)含量主要是依靠酰胺Ⅰ帶（1600～1700cm-1）的C=O伸縮振動。選取用最優(yōu)超聲輔助與未經(jīng)超聲輔助大麥啤酒糖化過濾得到酒糟用NEXUS型傅里葉變換紅外光譜儀觀察酒糟成分吸收峰的變化，其結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 未經(jīng)超聲輔助處理酒糟表面紅外光譜圖Fig.4 Fourier transform infrared spectroscopy of distiller's grains by non-ultrasound

圖5 超聲輔助處理酒糟表面紅外光譜圖Fig.5 Fourier transform infrared spectroscopy of distiller's grains by ultrasound

圖4中的波長值3412cm-1，是未經(jīng)超聲輔助處理的酒糟的羥基的締合吸收峰，因此酒糟中含有較多的碳水化合物，而圖5中的羥基締合吸收峰幾乎看不到，由此可以看出，經(jīng)過超聲波輔助處理后大麥內(nèi)容物溶解地更徹底，這是因為超聲的空化作用和機械作用可以打亂酒糟的結(jié)構(gòu)，從而增加了酶與大麥內(nèi)容物的有效接觸面積，使大麥內(nèi)容物能更好地溶解。

2.3 超聲處理對大麥酒糟納米結(jié)構(gòu)的影響

原子力顯微鏡能在納米水平上真實地反映酒糟的微觀形貌，未經(jīng)超聲處理與經(jīng)超聲處理的酒糟的納米結(jié)構(gòu)見圖 6、圖 7（見下頁）。

圖6 未經(jīng)超聲輔助處理酒糟的納米結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Nanostructure images of distiller's grains without ultrasound treatment

圖7 超聲輔助處理酒糟表面的納米結(jié)構(gòu)Fig.7 Nanostructure images of distiller's grains with ultrasound treatment

從圖6、7可以看出，經(jīng)超聲處理后，酒糟表面結(jié)構(gòu)比較疏松，且顆粒的數(shù)目增加；酒糟表面顆粒的高度有所增大，并且酒糟表面有超聲破壞的痕跡，即微小破洞。分析這一現(xiàn)象可能是因為超聲的空化效應和機械效應相互作用使酒糟顆粒發(fā)生空化氣泡的劇烈反應。

表1 超聲處理對酒糟的表面粗糙度的影響Table 1 Effect of ultrasound treatment on surface roughness of distiller's grains

由表1中的數(shù)據(jù)可知，平均粗糙度低于均方根粗糙度，即Ra

3 結(jié)論

超聲波輔助處理后大麥酒糟表面結(jié)構(gòu)更疏松。表面粗糙度增加可以明顯加快大麥內(nèi)容物的溶解，增加酶與大麥內(nèi)容物的有效接觸面積，加速淀粉的分解，提高大麥糖化力和麥芽浸出率。

[1]王秀麗,王家林.不同糖化工藝對大麥啤酒的麥汁質(zhì)量的影響[J].食品研究與開發(fā),2012,(10):153-155.

[2] 劉斌.基于超聲波預處理的麥胚ACE抑制肽酶法制備技術研究[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學,2014.

[3] Mason T J,Paniwnyk L,Lorimer J P,et al.The uses of ultrasound in food technology[J].Ultrasonics Sonochemistry,1996,3(3):253-260.

[4] Liu X,Sun Q,WangH,et al.Microspheres ofcorn protein,zein,for an ivermectin drug delivery system[J].Biomaterials,2005,26(1):109-115.

[5] Haris P I,Severcan F.FTIR spectroscopic characterization of protein structure in aqueous and non-aqueous media[J].Journal of Molecular Catalysis B:Enzymatic,1999,7(1):207-221.