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(揚州大學食品科學與工程學院,江蘇揚州 225127)

大麥芽是啤酒釀造的主要和重要原料,大麥籽粒在吸收一定水分后,在適當?shù)臏囟葷穸葪l件下萌發(fā),產(chǎn)生一系列酶,在后續(xù)啤酒原料處理過程中使淀粉、蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)分解,為酵母發(fā)酵提供養(yǎng)分。綠麥芽采用不同條件干燥后可以賦予啤酒不同的色、香、味等感官品質(zhì)。目前應用較多的大麥來自澳大利亞和加拿大。

我國是啤酒生產(chǎn)和消費大國,但麥芽質(zhì)量遠遠不能滿足啤酒工業(yè)發(fā)展的要求,主要問題之一在于大麥品種不好、類型單一、麥芽質(zhì)量不高且不穩(wěn)定。農(nóng)業(yè)部門可以改良品種,但工業(yè)部門只有通過改良加工工藝和優(yōu)化工藝條件來提高產(chǎn)品質(zhì)量。研究較多的是使用赤霉酸和添加金屬離子對α-淀粉酶、β-淀粉酶和極限糊精酶活性的影響,合適的添加量可以使酶活提高20%[1-2]。

脈沖電場(PEF)在食品工業(yè)中的應用研究已經(jīng)有40余年歷史,主要用于殺菌、鈍酶或提高植物成分提取率如油脂或果汁,物料的形態(tài)為液體或電極完全浸沒在物料中構成密閉體系[3]。如果PEF能在低水分、固體狀態(tài)物料的處理方面得到應用,那么其應用范圍將大大擴展。在發(fā)現(xiàn)PEF可以對干燥狀態(tài)的糙米產(chǎn)生作用[4]后,針對固相食品體系的系列基礎研究工作逐步展開,且結(jié)果均顯示，PEF具有明確的作用,已進行的工作涉及蛋白質(zhì)結(jié)構和功能性質(zhì)、油脂的得率和性質(zhì)及蘋果質(zhì)構和果汁得率等方面[5-10]。PEF在醫(yī)學上應用較多,但在食品工業(yè)中用于細胞促進作用的研究未見報道。

本文評價PEF對大麥萌發(fā)活力及相關性質(zhì)的影響,以探討其在啤酒大麥芽制備過程中應用的可能性。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

啤酒用大麥 揚農(nóng)啤12號,由揚州大學農(nóng)學院提供;品種的基本特征為千粒重40 g,發(fā)芽率95%,飽滿粒率98.8%,蛋白質(zhì)12.08%,麥芽浸出率79.6%,糖化力209 WK,α-氨基氮174 mg/100 g,庫爾巴哈值44%。麥芽糖、乙酸鈉、茚三酮、3,5-二硝基水楊酸、亮氨酸、牛血清白蛋白 上海藍季科技發(fā)展有限公司;無水葡萄糖 上海展云化工有限公司;可溶性淀粉 天津市科密歐化學試劑有限公司;β-葡聚糖 Sigma公司;次氯酸鈉 上海蘇懿化學試劑有限公司;氫氧化鈉、四水酒石酸鉀鈉、無水亞硫酸鈉、檸檬酸鈉、檸檬酸、考馬斯亮藍G-250 國藥集團化學試劑有限公司。

HD35-5脈沖高壓電源 天津市惠達電子元件廠;SPX-80B生化培養(yǎng)箱 天津賽得利斯實驗分析儀器制造廠;UV-7504C紫外-可見分光光度計 上海茂欣儀器有限公司;AR3130電子分析天平 奧豪斯國際貿(mào)易(上海)有限公司;BS224S電子天平 北京賽多利斯有限公司;PD-151游標卡尺 寶工實業(yè)股份有限公司;PHSJ-3F實驗室pH計 上海儀電科學儀器股份有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 制麥工藝

1.2.1.1 浸麥 挑選飽滿、無蟲害、大小差異小的大麥籽粒,用次氯酸鈉浸泡10 min,再用蒸餾水沖洗3次,濕浸4 h干浸8 h,重復濕浸與干浸,總浸麥時間28 h,浸麥溫度19 ℃,浸麥度43%(m/m)。

1.2.1.2 PEF處理 取100粒大麥拭去表面水后單層平鋪于處理腔中。設置脈沖頻率和寬度為500 Hz和6 μs,停留時間為10 min,電場強度為1.5、3、4.5、6、7.5 kV/cm。

1.2.1.3 發(fā)芽 將100粒大麥平鋪于用蒸餾水浸濕的兩層紗布上,置于生化培養(yǎng)箱內(nèi)19 ℃避光發(fā)芽,當葉芽平均長度為麥粒長的3/4左右時發(fā)芽完成。

1.2.1.4 干燥 綠麥芽經(jīng)45 ℃鼓風干燥24 h,磨粉,備用。

1.2.2 指標測定

1.2.2.1 鮮重、干重、發(fā)芽勢、發(fā)芽率、簡化活力指數(shù)測定 發(fā)芽后綠麥芽直接稱量所得質(zhì)量除以100為單株麥芽鮮重(mg/株),綠麥芽經(jīng)干燥后的總質(zhì)量除以100為單株麥芽干重(mg/株)。用游標卡尺測定綠麥芽的根芽長(mm)、葉芽長(mm)、根數(shù)。發(fā)芽勢(%)=(第2 d正常發(fā)芽的種子數(shù)/總種子數(shù))×100。發(fā)芽率(%)=(第3 d正常發(fā)芽的種子數(shù)/總種子數(shù))×100。簡化活力指數(shù)=麥芽葉芽長度×發(fā)芽率。

1.2.2.2 還原糖測定 采用3,5-二硝基水楊酸(DNS)比色法[13]測定。

1.2.2.3β-葡聚糖酶活力測定β-葡聚糖酶活力定義為在50 ℃、pH為5.5的條件下,每分鐘從濃度為5 mg/mL的β-葡聚糖溶液中釋放1 μmol還原糖所需要酶的量為一個酶活力單位(U)。根據(jù)文獻[11]和[12]制備酶液和測定,以單位質(zhì)量樣品的活力單位(U/g)表示。

1.2.2.4 淀粉酶活力測定 淀粉酶活力定義為每克樣品每分鐘生成的還原糖的量(mg/g·min),根據(jù)文獻[13]測定。

1.2.2.5 可溶性蛋白質(zhì)測定 采用考馬斯亮藍G-250比色法[13]測定。

1.2.2.6 氨基態(tài)氮測定 根據(jù)QB/T 1686-2008進行。

1.3 統(tǒng)計分析

每個處理和測定重復3次。采用Excel 2013進行數(shù)據(jù)分析和繪圖。采用SPSS 22.0進行顯著性分析,取p<0.05為顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 PEF對芽長、根長、鮮重、干重、發(fā)芽勢、發(fā)芽率和簡化活力指數(shù)的影響

如表1所示,PEF處理會影響大麥根和芽的生長,其中場強為4.5 kV/cm時,芽長、根長和根數(shù)比對照組分別提高13.62%、43.33%和9.53%;場強為6.0 kV/cm時,芽長、根長和根數(shù)比對照組分別提高了15.78%、36.48%和10.51%。PEF處理能夠提高麥芽鮮重，而對干重影響較小,鮮重和干重均在場強為6.0 kV/cm時有最大值,場強為7.5 kV/cm的處理組干重顯著小于對照組(p<0.05)。PEF組的發(fā)芽勢較對照組都有顯著提高(p<0.05),在6.0 kV/cm處達最大值,比對照組提高了38.96%;在場強為4.5、6.0 kV/cm的處理組,發(fā)芽率分別提高了17.60%和9.43%,與對照組相比差異都顯著(p<0.05);除場強為1.5 kV/cm的處理組外,其他處理組的簡化活力指數(shù)均顯著(p<0.05)高于對照組。

表1 脈沖電場對大麥萌發(fā)指標的影響Table 1 Effect of PEF on germination indices of malting barley

種子萌發(fā)活力一般用芽長、根長、鮮重、干重、發(fā)芽勢、發(fā)芽率和簡化活力指數(shù)等指標評價。芽長和根長等反映種子萌動后生長代謝的活性大小,幼苗鮮重反映種子在萌發(fā)過程中的生長量的大小,發(fā)芽勢高表示種子萌發(fā)所需的時間短,發(fā)芽率高表示種子的成活率高,而簡化活力指數(shù)則是種子發(fā)芽速率和生長量的綜合反映[14-15]。根和芽的長度以及根的數(shù)量越大,說明種子的萌發(fā)活力越強。適度的電刺激對于生物細胞生長有促進作用已經(jīng)成為常識,鄧紅梅等[16]羅列了外加靜電場的可能作用有:改變種子體內(nèi)生物膜電位;使細胞內(nèi)蛋白質(zhì)、糖類、脂類等極性分子和金屬離子的定向排列，引起含鎂、銅、錳、鋅、鐵等金屬酶的構象發(fā)生變化;使種子內(nèi)自由基含量顯著增加，從而激活與生物膜相結(jié)合的腺苷酸環(huán)化酶,導致基因活化,使負責酶合成的基因解除抑制;以及使種子萌發(fā)過程中ATP含量增加等。種子萌發(fā)是一個復雜的生理過程,各指標間很難用一個通用規(guī)律描述總結(jié)。PEF用于大麥發(fā)芽的文獻未見報道,關于PEF作用機理研究在進行中,后續(xù)將分別報道。

2.2 PEF對多糖水解酶活力的影響

2.2.1β-葡聚糖酶活力 麥芽中β-葡聚糖含量過高，會造成麥汁或啤酒黏度高、過濾困難,提高β-葡聚糖酶活力可以改善麥芽的品質(zhì)[14]。提高浸麥度和發(fā)芽溫度、延長發(fā)芽時間可以降低β-葡聚糖含量,但會使麥芽的蛋白質(zhì)溶解指數(shù)偏高、麥汁色度加深,制麥損失增大[15]。PEF可以提高麥芽β-葡聚糖酶活力(表1),3.0～7.5 kV/cm的場強可使β-葡聚糖酶活力顯著增加(p<0.05),提高幅度為9.73%～21.46%。不改變制麥工藝和條件,引入PEF作用,可以提高β-葡聚糖酶活力,降低β-葡聚糖含量,提高麥汁過濾效果,進而提高生產(chǎn)效率和麥芽及啤酒質(zhì)量。

2.2.2 淀粉酶活力 淀粉酶在大麥萌發(fā)時能快速啟動初期物質(zhì)和能量代謝,其活力高低是大麥萌發(fā)快慢的主要原因[16]。從表1可以看出,α-淀粉酶活力隨場強增加至4.5 kV/cm時達到最大值,比對照組提高了26.48%,其后隨場強增加而降低;PEF對β-淀粉酶活力的影響小于其對α-淀粉酶活力的影響,β-淀粉酶活力在6.0 kV/cm時達到最大值,比對照組提高了23.57%。PEF使大麥淀粉酶活性提高,加快麥粒中淀粉水解速率,提高大麥的發(fā)芽速度,縮短發(fā)芽周期,可以降低生產(chǎn)成本。

2.3 PEF對還原糖、氨基態(tài)氮和可溶性蛋白質(zhì)含量的影響

2.3.1 還原糖 還原糖是麥汁浸出物的主要組成部分,能夠為酵母提供碳源,也是酵母主要的可發(fā)酵性糖。還原糖含量過低不利于啤酒發(fā)酵,易引起酵母早期沉降、殘?zhí)嵌嗪瓦€原雙乙酰慢等問題。從表1可看出,隨著電場強度增加,還原糖含量先增加后下降,處理組均高于對照組,增幅為3.49%～11.94%。

2.3.2 氨基態(tài)氮和可溶性蛋白質(zhì) 麥芽中的蛋白質(zhì)會對麥汁色度、啤酒渾濁和泡沫穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[17-18]。在制麥過程中,蛋白質(zhì)在蛋白酶的作用下逐漸分解為低分子肽類和氨基酸,這些營養(yǎng)物質(zhì)為啤酒釀造是酵母的生長和代謝提供了保障。麥汁中氮量越豐富,酵母的代謝就越旺盛,發(fā)酵能力強有利于啤酒生產(chǎn)[19],氨基態(tài)氮也與啤酒的風味有關。啤酒中與可溶性蛋白質(zhì)直接相關的指標為庫爾巴哈值(Kolbach index),為簡化測定過程,本文直接采用可溶性蛋白質(zhì)含量為指標進行描述。從表1可看出,麥芽可溶性蛋白質(zhì)含量隨著場強增大呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢,增幅為4.79%～17.19%,差異顯著(p<0.05)。氨基態(tài)氮含量先快速上升后緩慢下降,在場強為3.0 kV/cm時有最大值。

2.4 PEF對大麥萌發(fā)活力影響的綜合評價

2.4.1 相關性分析 從表2相關系數(shù)矩陣表可看出,除干重和可溶性蛋白質(zhì)含量之間呈負相關外,其它指標間都呈正相關關系。其中,芽長與根長、根數(shù)、發(fā)芽勢、簡化活力指數(shù)、α-淀粉酶活力、β-淀粉酶活力、還原糖含量和可溶性蛋白質(zhì)含量,根長與根數(shù)、發(fā)芽勢、發(fā)芽率、簡化活力指數(shù)、β-葡聚糖酶活力、α-淀粉酶活力、β-淀粉酶活力、還原糖含量和可溶性蛋白質(zhì)含量,根數(shù)與發(fā)芽勢、β-淀粉酶活力、還原糖含量,發(fā)芽勢與簡化活力指數(shù)、β-淀粉酶活力和還原糖含量,發(fā)芽率與簡化活力指數(shù)、β-葡聚糖酶活力、α-淀粉酶活力和還原糖含量,簡化活力指數(shù)與β-葡聚糖酶活力、α-淀粉酶活力、β-淀粉酶活力和還原糖含量,β-葡聚糖酶活力與α-淀粉酶活力,α-淀粉酶活力與可溶性蛋白質(zhì)含量,β-淀粉酶活力與還原糖含量之間均呈高度相關。

2.4.2 利用主成分分析對萌發(fā)活力的綜合評價 表3列出了累積貢獻率達到100%的5個主成分?？梢钥闯?前3個主成分的特征值都大于1,累積貢獻率達到94.113%,說明它們基本上包含了全部指標的所有信息,能夠反映PEF對大麥萌發(fā)的影響。

表3 特征值及前5個主成分貢獻率及累積貢獻率Table 3 Eigen value and individual and cumulative contribution rate of 5 principal components

由表4中初始因子載荷矩陣可知,第一主成分反映了還原糖含量、根長、簡化活力指數(shù)、芽長、發(fā)芽勢、β-淀粉酶活力、根數(shù)、發(fā)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、鮮重、α-淀粉酶活力的信息;第三主成分反映了可溶性蛋白質(zhì)含量、氨基態(tài)氮含量和β-葡聚糖酶活力的信息。由主成分載荷矩陣數(shù)據(jù)與主成分對應特征值的平方根相除可得各指標對應系數(shù)的特征向量矩陣(表4),以Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z7、Z8、Z9、Z10、Z11、Z12、Z13、Z14分別表示芽長、根長、根數(shù)、鮮重、干重、發(fā)芽勢、發(fā)芽率、簡化活力指數(shù)、β-葡聚糖酶活力、α-淀粉酶活力、β-淀粉酶活力、還原糖含量、可溶性蛋白質(zhì)含量和氨基態(tài)氮含量,前三個主成分Y1、Y2和Y3的表達式如下。

表4 指標初始因子載荷矩陣和特征向量矩陣 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

根據(jù)各主成分得分以及方差貢獻率構造14個指標的綜合得分函數(shù):

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

將標準化后發(fā)芽指標變量的數(shù)值代入式Y(jié)1、Y2、Y3和Y,得到6個處理在每個主成分和綜合主成分上的得分和排名(表5)。可以看出,PEF強度對大麥萌發(fā)活力綜合指標值提高的影響力順序由大到小依次為6.0、4.5、3.0、7.5、1.5、0 kV/cm。

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

3 結(jié)論

脈沖電場可促進大麥萌發(fā),大大提高相關指標水平。與未經(jīng)PEF處理的對照比較,所設置的電場強度條件(1.5、3.0、4.5、6.0、7.5 kV/cm)均使芽長、根長、根數(shù)、鮮重、干重、發(fā)芽勢、發(fā)芽率和簡化活力指數(shù)8項宏觀指標以及β-葡聚糖酶活力、α-淀粉酶活力、β-淀粉酶活力、還原糖含量、可溶性蛋白質(zhì)含量和氨基態(tài)氮含量等6項微觀指標提高,各項指標最大提高幅度分別為15.78%(6.0 kV/cm時)、43.33%(4.5 kV/cm時)、10.51%(6.0 kV/cm時)、1.91%(6.0 kV/cm時)、2.06%(6.0 kV/cm時)、38.96%(4.5 kV/cm時)、17.60%(6.0 kV/cm時)和33.49%(4.5 kV/cm時)、21.46%(4.5 kV/cm時)、26.48%(4.5 kV/cm時)、23.57%(6.0 kV/cm時)、11.94%(6.0 kV/cm時)、17.19%(3.0 kV/cm時)和6.28%(7.5 kV/cm時),14項指標間密切相關。除干重和可溶性蛋白質(zhì)含量之間呈負相關外,其它指標間都呈正相關,大多數(shù)指標間呈高度或中度相關。綜合研究條件,電場對種子電場強度對大麥萌發(fā)影響由大至小的順序為6.0、4.5、3.0、7.5、1.5、0,6.0 kV/cm為最佳?？梢哉J為,采用脈沖電場對大麥籽粒進行適當?shù)奶幚砜梢源蟠筇岣咚闷【汽溠康钠焚|(zhì),但其作用機理仍需要進一步研究。