米智，武曉紅，劉荔貞*

1. 山西大同大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院（大同 037009）；2. 山西大同大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院（大同 037009）

啤酒被認(rèn)為是人類最古老的酒精飲料之一，是繼水和茶之后世界上消耗量排名第三的飲料。啤酒是以大麥芽、酒花、水為主要原料，經(jīng)酵母發(fā)酵作用釀制而成的飽含二氧化碳的低酒精度飲料，被稱為“液體面包”[1]。啤酒作為一種低酒精度的麥芽飲品，因其具有良好的風(fēng)味、豐富營(yíng)養(yǎng)及良好的口感而頗受消費(fèi)者喜愛[2]。2019年上半年我國(guó)啤酒產(chǎn)量達(dá)1 948.8萬 kL，累計(jì)增長(zhǎng)0.8%。

在現(xiàn)代啤酒工業(yè)中，為了降低生產(chǎn)成本、提高設(shè)備利用率、調(diào)節(jié)麥汁中糖和非糖的比例、降低啤酒色度、提高啤酒的發(fā)酵度、改進(jìn)啤酒的泡沫性能、改良口感、風(fēng)味等，在實(shí)際生產(chǎn)中通常會(huì)添加一定比例的輔料來代替部分麥芽[3-5]。英國(guó)食品標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)將啤酒釀造輔料定義為“除發(fā)芽大麥外任何能產(chǎn)生麥汁糖的碳水化合物來源”，該標(biāo)準(zhǔn)中啤酒輔料范圍較廣，常見的谷物如大米、玉米、小麥、高粱，以及谷物淀粉（通常為玉米淀粉）或者淀粉糖漿，都可以作為部分麥芽的替代物。亞洲地區(qū)如我國(guó)常用大米作為輔料釀造啤酒[6-7]。

大米富含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，淀粉含量高（75%～82%），無水浸出率高（90%～93%），脂肪含量較麥芽低，含有較豐富的泡沫蛋白質(zhì)，基本不含多酚類物質(zhì)[8]。添加大米的啤酒，口味清爽、泡沫細(xì)膩、酒花香味突出、非生物穩(wěn)定性好、并且可明顯改善啤酒的口感質(zhì)量，清新淡爽的口感更能滿足大眾消費(fèi)者的需求[9-10]。若大米用量過大時(shí)，會(huì)造成麥汁α-氨基氮含量過低，影響酵母的繁殖和發(fā)酵。國(guó)內(nèi)一般添加量為20%～40%[11-12]。

啤酒糖化主要指麥芽和輔料中高分子貯藏物質(zhì)及其分解產(chǎn)物，通過麥芽中各種水解酶類作用，以及水和熱力作用，使之分解并溶解于水[2]。試驗(yàn)用大米代替部分大麥芽，分別探討了糖化過程中52和65 ℃下保溫時(shí)間、物料比和料液比4個(gè)因素對(duì)啤酒麥汁浸出物收得率的影響，通過正交試驗(yàn)優(yōu)化啤酒麥汁糖化工藝，結(jié)合方差分析等方法尋找影響該工藝的主要因素，旨在改良糖化工藝，提高麥汁收得率。為以麥芽大米為主要原料的啤酒糖化工藝提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

啤酒大麥芽，山東豪魯啤酒設(shè)備有限公司；青島大花、卡斯卡特啤酒花，濟(jì)南貝凱斯發(fā)酵設(shè)備有限公司；大米，五豐東北優(yōu)選珍珠米；麥芽糖、葡萄糖、無水乙醇，等均為國(guó)產(chǎn)分析純?cè)噭?/p>

1.2 儀器與設(shè)備

100 L啤酒生產(chǎn)線（山東豪魯啤酒設(shè)備有限公司）；HH-6數(shù)顯恒溫水浴鍋（國(guó)華常州儀器制造有限公司）；LXJ-ⅡB離心機(jī)（上海析域儀器設(shè)備有限公司）；PHS-3C+酸度計(jì)（上海坤誠(chéng)科學(xué)儀器有限公司）；BSA124S賽多利斯精密電子天平（北京楚齊儀表有限責(zé)任公司）；752型紫外/可見分光光度計(jì)（北京普析T6新世紀(jì)）；800A多功能粉高速中藥粉粹機(jī)（上海利聞科學(xué)儀器有限公司）；等。

1.3 方法

1.3.1 麥汁糖化工藝流程及操作要點(diǎn)

大麥芽、大米→粉碎→糖化→過濾→煮沸→添加酒花→冷卻→過濾→麥芽汁[2,13]

其中糖化步驟：采用低溫（37 ℃）投料浸出糖化法，適當(dāng)修改[14]，即36±1 ℃保溫30 min，此過程可有效浸出、活化麥芽中的糖化酶類，有助于酸的形成，原料中有機(jī)磷酸鹽類開始分解，有利于β-葡聚糖的分解[15]。52±1 ℃糖化保溫30～50 min使蛋白質(zhì)逐漸分解，低分子含氮物質(zhì)的含量逐漸上升[16-17]；64±1℃糖化保溫60 min，此過程中在β-淀粉酶的作用下，麥芽糖的含量持續(xù)增加，可發(fā)酵糖含量升高，非糖比例相對(duì)較低，若將溫度控制在65 ℃，可以得到最高的可發(fā)酵浸出物收得率[18-19]。70 ℃保溫25 min使糖化休止，由碘試至麥芽汁不呈色時(shí)，再升溫至75 ℃保溫15 min，糖化結(jié)束。

1.3.2 麥芽汁糖化工藝優(yōu)化單因素試驗(yàn)

以麥汁浸出物收得率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)大米添加量（30.0%，32.5%，35.0%，37.5%和40.0%）、水料比（2.5∶1，3.0∶1，3.5∶1，4.0∶1和4.5∶1 mL/g）、52 ℃糖化時(shí)間（30，35，40，45和50 min）和65 ℃糖化時(shí)間（40，50，60，70和80 min）4個(gè)因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)，考察各因素對(duì)麥汁浸出物收得率影響。

1.3.3 麥汁糖化工藝優(yōu)化的正交試驗(yàn)

參考1.3.2單因素試驗(yàn)結(jié)果，在大米添加量、水料比、52 ℃糖化時(shí)間和65 ℃糖化時(shí)間4個(gè)單因素中，分別選出3個(gè)對(duì)麥汁浸出物收得率影響最大的水平，做L9(34)正交試驗(yàn)。

1.3.4 麥汁糖化工藝的驗(yàn)證性試驗(yàn)

為了更好地證實(shí)正交試驗(yàn)對(duì)麥汁糖化工藝優(yōu)化的可靠性和合理性，在正交試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了3次平行試驗(yàn)，分別計(jì)算出該條件下的麥汁浸出物收得率。

1.3.5 麥汁中麥芽糖相對(duì)含量測(cè)定

麥汁浸出物得率測(cè)定利用比重瓶可測(cè)得麥汁的相對(duì)密度，查密度對(duì)應(yīng)濃度的表可得麥汁的濃度，計(jì)算得到麥汁浸出物收得率[20-21]。

2 結(jié)果與分析

2.1 啤酒麥汁糖化工藝的單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 大米添加量對(duì)麥汁浸出物收得率的影響

由圖1可知，大米添加量在30%～40%范圍內(nèi)時(shí)，麥汁浸出物收得率隨著大米添加量的增加呈先上升后下降的趨勢(shì)，并在大米添加量為32.5%時(shí)麥汁浸出物收得率出現(xiàn)最大值，為78.6%。當(dāng)大米添加量為35.0%時(shí)，麥汁浸出物收得率也高達(dá)78.5%，與大米添加量為32.5%時(shí)幾乎相當(dāng)。大米中含有豐富的淀粉，浸出率較高，但當(dāng)大米量過多時(shí)，會(huì)增加醪液黏度，導(dǎo)致麥糟層不易形成，過濾不徹底，影響麥汁浸出物和可發(fā)酵性物質(zhì)的收得率。因此在做正交試驗(yàn)時(shí)，選取大米添加量分別為30.0%，32.5%和35.0%作為3個(gè)水平。

2.1.2 水料比對(duì)麥汁浸出物收得率的影響

由圖2可知，當(dāng)水料比在2.5∶1～4.5∶1（mL/g）范圍內(nèi)時(shí)，麥汁浸出物收得率呈先急劇上升后緩慢下降的趨勢(shì)，當(dāng)水料比為3.5∶1（mL/g）時(shí)麥汁浸出物收得率出現(xiàn)最大值，為78.4%。當(dāng)水料比小于3.5∶1（mL/g）時(shí)，糖化過程中的各種糖化酶可能因水分不足使得酶活力較低，當(dāng)隨著水料比的增大，糖化酶活性逐漸增強(qiáng)，進(jìn)而使得麥汁浸出物收得率逐漸提高。但是水料比過大時(shí)，洗麥糟水用量將減少，麥糟中的浸出物不能充分溶于水，進(jìn)入醪液中，造成浸出物有所損失，故麥汁收得率降低。因此在做正交試驗(yàn)時(shí)，選取水料比分別為3.0∶1，3.5∶1和4∶1（mL/g）作為3個(gè)水平。

2.1.3 52 ℃糖化時(shí)間對(duì)麥汁浸出物收得率的影響

由圖3可知，52 ℃糖化時(shí)間在30～45 min范圍內(nèi)，麥汁浸出物收得率呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，并且在糖化45min時(shí)，麥汁收得率出現(xiàn)最大值，為78.8%。時(shí)間再延長(zhǎng)至50 min時(shí)，麥汁收得率略有下降，但基本與糖化45 min時(shí)的收得率相當(dāng)。當(dāng)52 ℃糖化時(shí)間較短時(shí)，糖化不充分、不完全，故呈現(xiàn)出在52 ℃糖化時(shí)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，糖化酶的催化，麥汁浸出物收得率逐漸提高。若時(shí)間足夠充足，即糖化時(shí)間超過45 min后，糖化基本完全，故麥汁收得率基本保持不變，甚至?xí)p失部分浸出物，綜合經(jīng)濟(jì)成本和試驗(yàn)效率等方面考慮，52 ℃糖化最適時(shí)間為45 min。因此在做正交試驗(yàn)時(shí)，52 ℃糖化時(shí)間分別為40，45和50 min作為3個(gè)水平。

圖1 大米添加量對(duì)麥汁浸出物收得率的影響

圖2 水料比對(duì)麥汁浸出物收得率的影響

2.1.4 65 ℃糖化時(shí)間對(duì)麥汁浸出物收得率的影響

由圖4可知，65 ℃糖化時(shí)間在40～70 min范圍內(nèi)，麥汁浸出物收得率呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，而且在70 min時(shí)麥汁收得率出現(xiàn)最大值，為78.6%。當(dāng)65 ℃糖化時(shí)間為60和80 min時(shí)，麥汁收得率分別為78.4%和78.5%，基本與糖化70 min時(shí)的收得率相當(dāng)。當(dāng)65 ℃糖化時(shí)間較短時(shí)，糖化不充分、不完全，故會(huì)出現(xiàn)隨著糖化時(shí)間的延長(zhǎng)，麥芽醪中的可浸出物、可發(fā)酵性物質(zhì)不斷溶出的現(xiàn)象，所以麥汁收得率會(huì)隨著糖化時(shí)間的延長(zhǎng)而提高，當(dāng)糖化時(shí)間在60或70 min后，糖化基本完全、充分，故麥汁收得率基本保持不變，但為了更好地將原料充分利用，65 ℃糖化保溫最適時(shí)間為70 min。因此在做正交試驗(yàn)時(shí)，65 ℃糖化時(shí)間分別為60，70和80 min作為3個(gè)水平。

圖3 52 ℃糖化時(shí)間對(duì)麥汁浸出物收得率的影響

圖4 65 ℃糖化時(shí)間對(duì)麥汁浸出物收得率的影響

2.2 啤酒麥汁糖化工藝的正交試驗(yàn)結(jié)果

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

表1 L9(34)正交試驗(yàn)因素水平表

根據(jù)表2的分析表明，最佳的提取工藝條件為A2B2C3D1，由極差值R的大小可知各因素對(duì)試驗(yàn)方法的影響次序?yàn)锽（水料比）＞A（大米添加量）＞C（52 ℃糖化時(shí)間）＞D（65 ℃糖化時(shí)間）。

由表3的結(jié)果可得，啤酒糖化工藝中，選取的4個(gè)因素大米添加量、水料比、52 ℃糖化時(shí)間和65 ℃糖化時(shí)間對(duì)麥汁收得率影響均不顯著（F＜F0.05）。

2.3 優(yōu)化條件的驗(yàn)證性試驗(yàn)

根據(jù)正交試驗(yàn)篩選出啤酒糖化的最佳工藝進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，驗(yàn)證正交試驗(yàn)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。測(cè)得麥汁收得率見表4。如表4所示，3組平行樣數(shù)據(jù)δRSD為0.32%，滿足要求，得出該糖化工藝麥汁收得率較為穩(wěn)定。

表2 啤酒麥汁糖化工藝正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

表3 正交試驗(yàn)方差分析表

表4 驗(yàn)證性試驗(yàn)測(cè)定麥汁收得率

3 結(jié)論

研究主要對(duì)以大麥芽和大米為原料的啤酒糖化工藝進(jìn)行優(yōu)化，首先通過單因素試驗(yàn)探究了大米添加量、水料比、52 ℃糖化時(shí)間和65 ℃糖化時(shí)間對(duì)麥汁浸出物收得率的影響，選擇較為合適的條件范圍。在單因素試驗(yàn)的結(jié)果上，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，以麥汁收得率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，優(yōu)化啤酒糖化工藝為大米添加量為32.5%、水料比為3.5∶1（mL/g）、52 ℃糖化時(shí)間50min和65 ℃糖化時(shí)間60 min。影響程度為水料比＞大米添加量＞52 ℃糖化時(shí)間＞65 ℃糖化時(shí)間。通過方差分析發(fā)現(xiàn)4個(gè)因素對(duì)麥芽汁收得率影響均不顯著。通過驗(yàn)證性試驗(yàn)可知，該工藝麥汁浸出物收得率較高，78.5%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差較小（0.32%），試驗(yàn)穩(wěn)定可靠。為今后研究啤酒添加大米輔料糖化工藝提供了試驗(yàn)依據(jù)。