玉米生料與大米生料釀酒特性研究

李永博，黃治國，2，任志強(qiáng)，2，*（.四川理工學(xué)院生物工程學(xué)院，四川自貢643000；2.釀酒生物技術(shù)及應(yīng)用四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川自貢643000）

生料釀酒是相對(duì)于傳統(tǒng)釀酒將原料蒸熟糊化后進(jìn)行糖化發(fā)酵而言的。在生料釀酒過程中，原料不經(jīng)蒸煮糊化，直接經(jīng)酶制劑糖化后進(jìn)行發(fā)酵[1-2]。因此，生料釀酒減少了糧食蒸煮過程中能量的投入，降低了生產(chǎn)成本；并且原料不經(jīng)加熱糊化，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝[3-4]，降低了操作難度；酶制劑的應(yīng)用使原料糖化更徹底，具有更高的出酒率，具有很好的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益[5-7]。

目前用于生料釀造的有大米、小麥、玉米、高粱、木薯、甘薯等多種原料，其中大米和玉米最為常見。釀酒的主要過程為淀粉質(zhì)原料經(jīng)水解成葡萄糖后，進(jìn)一步發(fā)酵生成乙醇和二氧化碳。原料中的生淀粉在葡萄糖淀粉酶的作用下水解成葡萄糖。淀粉本身具有一定的吸附能力，當(dāng)它遇水時(shí)，水分子會(huì)逐步侵入其內(nèi)部，與一部分淀粉分子結(jié)合，淀粉膠束間隙逐漸擴(kuò)大，體積膨脹，其淀粉卷繞螺旋伸展，暴露許多羥基，它能與其他有機(jī)物物質(zhì)以氫鍵連結(jié)，吸附物質(zhì)。生淀粉的水解速率與葡萄糖淀粉酶能否被它吸附以及吸附強(qiáng)度有關(guān)[8-10]。不同來源的原料因其淀粉性質(zhì)存在一定的差異[11]，其釀造特性可能存在差異。

本研究以生料釀酒常用原料玉米和大米進(jìn)行生料釀酒比較其釀造特性，結(jié)果表明大米的出酒率高于玉米。為了探究玉米相比于大米不易被生料釀酒利用的原因，對(duì)原料淀粉酶解前后的淀粉形態(tài)進(jìn)行電鏡觀察，發(fā)酵液中的理化指標(biāo)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了影響玉米出酒率的因素。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大米、玉米：市售；生料酒曲：安琪酵母股份有限公司；α-淀粉酶（4 000 U/g）：上海源葉生物科技有限公司；3，5-二硝基水楊酸：成都科龍化工試劑廠；其他試劑均為市售分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

紫外可見分光光度計(jì)（UV-1200）：翱藝儀器上海有限公司；恒溫培養(yǎng)振蕩器（ZHWY-103D）：上海智城分析儀器制造有限公司；全自動(dòng)高壓蒸汽滅菌鍋（MLS-3020）：北京艾飛博科技有限公司；超凈工作臺(tái)（SW-CJ-2D）：江蘇蘇凈集團(tuán)有限公司；離心機(jī)（5430）：Eppendorf中國有限公司；SuperAlcomat高精度數(shù)顯酒精濃度計(jì)：意大利蓋博分析儀器公司；LEO-1530VP型掃描電鏡：德國LEO公司。

1.3 方法

1.3.1 原料預(yù)處理

挑取無霉變、無雜質(zhì)、新鮮的大米、玉米，粉碎，過60目篩。

1.3.2 生料發(fā)酵工藝

分別稱取多份100 g大米粉、玉米粉置于500 mL三角瓶中，每瓶加入0.5 g生料酒曲，250 mL去離子水，混合均勻后置于30℃恒溫培養(yǎng)箱中靜置培養(yǎng)2天后加發(fā)酵栓密封發(fā)酵，每天測(cè)一次酒精度、淀粉含量、還原糖等發(fā)酵特性指標(biāo)，測(cè)10 d。

1.3.3 酒精含量的測(cè)定

吸取發(fā)酵醪液100 mL于500 mL蒸餾器中，加50 mL去離子水，再加入玻璃珠數(shù)粒后，蒸餾，用100mL容量瓶收集餾出液100 mL，用高精度數(shù)顯酒精濃度計(jì)測(cè)量其酒精度。

1.3.4 出酒率的測(cè)定

每瓶發(fā)酵醪液產(chǎn)乙醇總質(zhì)量占所投原料總質(zhì)量的比值，即為原料出酒率；每瓶發(fā)酵醪液產(chǎn)乙醇總質(zhì)量占所投淀粉總質(zhì)量的比值，即為淀粉出酒率。

1.3.5 生料原料酶解方法

稱取10 g玉米粉、大米粉分別置于250 mL錐形瓶中，同時(shí)向每瓶加入80 mgα-淀粉酶、25 mL去離子水，充分混均后置于30℃酶解12 h。過濾、烘干后，取適量酶解后的淀粉顆粒進(jìn)行電子顯微鏡觀察。

1.3.6 原料淀粉顆粒形態(tài)的觀察

在紅外燈下用雙面膠將樣品固定在樣品臺(tái)上，然后噴金并將處理后的樣品保存在干燥器中，測(cè)試時(shí)將樣品置于電鏡下觀察，拍攝具有代表性的淀粉顆粒形態(tài)[12]。

1.3.7 淀粉和還原糖含量檢測(cè)

淀粉含量的測(cè)定采用鹽酸水解法[13]；還原糖的測(cè)定采用DNS法[14]。

2 結(jié)果與討論

2.1 兩種不同原料出酒率的比較

原料出酒率和淀粉出酒率是酒精生產(chǎn)的重要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，它還能反應(yīng)原料的轉(zhuǎn)化和利用效率，提高轉(zhuǎn)化效率可降低生產(chǎn)成本，獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益[15]。對(duì)兩種原料淀粉含量進(jìn)行分析，結(jié)果見圖1。

圖1 不同原料淀粉含量Fig.1 Starch content of raw different

圖1可知，大米原料淀粉含量為76.5%，玉米原料淀粉含量為65.25%。對(duì)兩種原料生料釀造產(chǎn)酒能力進(jìn)行比較，結(jié)果見圖2。

圖2 生料釀酒不同原料的出酒率Fig.2 The yield of alcohol using different raw materials

由圖2可知，無論是原料出酒率還是淀粉出酒率大米均高于玉米。在原料出酒率方面大米高于玉米，但大米的淀粉含量也高于玉米淀粉含量。對(duì)兩種原料的淀粉出酒率進(jìn)行比較，結(jié)果顯示大米淀粉的出酒率54.6%高于玉米49.1%，表明大米淀粉較玉米淀粉更容易被微生物利用。此結(jié)果與先前的報(bào)道[8]相似。

2.2 兩種不同原料酶水解前后淀粉顆粒形態(tài)的變化

對(duì)兩種原料酶水解前后淀粉顆粒形態(tài)進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果見圖3。

圖3 大米和玉米酶水解前后電鏡圖Fig.3 Electron microscopy of corn and rice enzymatic hydrolysis and none

由圖3可知，電子顯微鏡結(jié)果顯示，水解前兩者的淀粉顆粒形態(tài)都較大，但大米淀粉主要呈片層結(jié)構(gòu)，玉米淀粉主要呈粒狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)上的差異表明可能大米淀粉更容易被酶水解；酶水解后發(fā)現(xiàn)，大米淀粉顆粒較小，大小均勻，玉米淀粉顆粒較大，且顆粒有大有小，結(jié)果表明大米水解程度更高，且小顆粒具有更大的比表面積，有利于進(jìn)一步酶水解。

2.3 淀粉含量在發(fā)酵過程中的變化

淀粉是生料釀造過程中微生物生長(zhǎng)繁殖和代謝的最主要的營養(yǎng)物質(zhì)[16-17]，必須通過微生物自身代謝所產(chǎn)的淀粉酶以及生料酒曲中的酶系才能將其水解成小分子還原糖等物質(zhì)，以供微生物生長(zhǎng)代謝，發(fā)酵過程中淀粉含量變化是衡量發(fā)酵進(jìn)行的重要依據(jù)。淀粉含量在發(fā)酵過程中的變化見圖4

圖4 發(fā)酵過程中淀粉含量Fig.4 Starch content during the fermentation

由圖4可知，淀粉含量前4天下降較快，之后緩慢下降，直至發(fā)酵結(jié)束。這可能是由于發(fā)酵前期，發(fā)酵液中營養(yǎng)物質(zhì)豐富，微生物代謝旺盛，微生物產(chǎn)生的大量淀粉酶，以及生料酒曲中的酶系將淀粉降解為可發(fā)酵性糖導(dǎo)致發(fā)酵液中淀粉含量快速下降，發(fā)酵后期淀粉含量下降速度變緩可能是由于發(fā)酵液中的營養(yǎng)物質(zhì)相對(duì)匱乏以及微生物產(chǎn)生的酒精等代謝產(chǎn)物抑制了微生物的生長(zhǎng)以及酶的活性。

2.4 還原糖在發(fā)酵過程中的變化

發(fā)酵是否徹底，可以通過檢測(cè)還原糖含量確定。生料酒精發(fā)酵還原糖含量變化見圖5。

圖5 發(fā)酵過程中還原糖含量Fig.5 Reducing sugar content during the fermentation

程糖化和發(fā)酵反應(yīng)一直在平衡同步進(jìn)行。一方面淀粉被酶分解為葡萄糖，另一方面還原糖被酵母菌利用產(chǎn)生酒精。這樣邊糖化邊發(fā)酵的過程，使酵母菌處于較低的滲透壓環(huán)境中，原料利用率更高。發(fā)酵液中還原糖含量的高低可以反應(yīng)微生物對(duì)原料利用能力的強(qiáng)弱。由圖5可知，在整個(gè)發(fā)酵過程中玉米發(fā)酵液中的還原糖含量均高于大米發(fā)酵液，這可能就是由于兩種原料所產(chǎn)生的還原糖成分存在差異，酵母對(duì)大米淀粉所產(chǎn)生的還原糖利用率更高。

2.5 酒精度在發(fā)酵過程中的變化

酒精度在發(fā)酵過程中的變化規(guī)律見圖6。

圖6 發(fā)酵過程中酒精含量的變化Fig.6 Alcoholicity content during the fermentation

由圖6可知，隨著淀粉被不斷消耗，酵母將水解生產(chǎn)的葡萄糖發(fā)酵生成酒精，使樣品中的酒精度不斷提高。大米玉米生料發(fā)酵10天時(shí)，酒精度就達(dá)到最高點(diǎn)。酒精度的變化規(guī)律與淀粉變化規(guī)律相反，隨淀粉的降低呈上升趨勢(shì)，符合發(fā)酵規(guī)律。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)對(duì)玉米生料與大米生料釀酒特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明大米的出酒率41.8%高于玉米32.1%。為了闡明哪些因素導(dǎo)致了大米比玉米生料釀酒具有更高的出酒率，對(duì)不同原料酶水解前后淀粉結(jié)構(gòu)和生料釀造特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明水解前兩者的淀粉顆粒形態(tài)較大，玉米淀粉顆粒呈粒狀，大米顆粒呈片層結(jié)構(gòu)；酶水解后大米淀粉顆粒相對(duì)于玉米淀粉顆粒較小，說明生料大米更容易被被水解，并且小顆粒具有更大的比表面積，將有利于進(jìn)一步降解利用。對(duì)兩種原料進(jìn)行生料發(fā)酵，測(cè)定其發(fā)酵液中淀粉和還原糖含量的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種發(fā)酵液中的淀粉含量都有明顯的下降，而發(fā)酵液中的還原糖含量玉米0.99 mg/mL顯著高于大米0.41 mg/mL。表明酵母利用大米水解所產(chǎn)生的還原糖更容易，而利用玉米水解產(chǎn)生的還原糖更難，可能的原因在于兩種原料所產(chǎn)生的還原糖成分存在差異。從而得出結(jié)論：大米相對(duì)于玉米進(jìn)行生料釀酒具有更高的利用率的原因可能在于淀粉顆粒結(jié)構(gòu)差異和酶水解后產(chǎn)生的還原糖成分不一樣。提示將來在玉米生料釀酒的過程中可以增加粉粹程度使其更容易被酶水解和延長(zhǎng)發(fā)酵時(shí)間以提高原料利用率。

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