青稞(Hordeum Vulgare L.var.Nudum Hook.f)又称裸麦,是禾本科大麦属作物,国内主要分布在西藏、青海、云南、四川等地,印度、巴基斯坦、土耳其、中亚等国家和地区也有所栽培[1]。青稞具有高蛋白、低脂肪的特点,淀粉含量可占籽粒的65%,富含β-葡聚糖及多种对人体有益的微量元素,逐渐被大众接受并制作成各种形式的副食品,如青稞淀粉、青稞面包、青稞糍粑、青稞酒等,其中用青稞来酿造白酒就是最重要的衍生副食品之一[2-3]。经蒸馏后的青稞白酒甜香醇厚,粮香浓郁,但由于青稞米颗粒较大,原料不经处理就直接采用青稞米固态发酵容易导致酒醅淀粉发酵不完全,蒸馏出的白酒会有较重的醪糟味,且口味寡淡,Liu 等[4]认为,这与酒醅理化性质、发酵微生物多样性有关。
原料处理在食品加工过程中尤为重要,合适的原料处理方式可以改变原料特性,最大程度提高工厂原料利用率,减少粮食浪费,这在白酒酿造工程中也不例外[5]。目前,有关青稞原料加工处理方式的研究文献较少,主要方式有炒制、微波、烘制、挤压膨化、破碎、蒸煮等,洪晴悦[6]发现,炒制、微波焙烤具有温度高、加工时间短的特点,更能提高青稞可溶性膳食纤维及多种葡聚糖、戊糖含量。刘小娇等[7]用不同处理方式对青稞粉质处理并研究微波灭酶处理使青稞全粉更易于糊化。李明泽等[8]采用炒制、微波、蒸煮、挤压膨化4 种加工方式预处理青稞,测定青稞最大β-葡聚糖含量。张文刚等[9]发现,青稞炒制后风味物质由48 种增加到60种;张垚等[10]研究发现,炒制工艺可以增加青稞原料风味物质种类,目前,已有将炒制工艺应用到青稞酿酒的研究,例如杨海晴等[11]发现,炒制后传统青稞酒的酸度、含糖量以及感官评分均高于未炒制青稞酒,且挥发性风味物质的种类有所增加,但国内外关于原料处理方式对青稞白酒及酒醅影响的研究较鲜见。
结合国内外已有研究文献,本试验选用了炒制、微波、破碎、炒制破碎4 种不同原料处理方式分别对青稞米进行处理,并以未经任何处理的青稞做空白对照,5 组发酵罐均在28 ℃恒温箱中密封发酵15 d,试验连续测量5 组发酵罐中青稞酒醅的理化性质,并对蒸馏出的青稞白酒做气相色谱-质谱(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)风味分析,结合感官测评综合选择出最优的原料处理方式,保证酒醅淀粉利用率较高,白酒风味物质种类有所增加。
青海西宁青稞米:市售;淀粉质原料清香型小曲:重庆市合川区鑫星曲药厂;炒货专用陶瓷砂:河南省郑州市琪康集团;乙酸正戊酯(99.5%):天津市光复化工研究所;浓盐酸(36%)、浓硫酸(98%)、氢氧化钠(99%)、五水硫酸铜(99%)、酒石酸钾钠(99%)、无水葡萄糖(98%)、邻苯二甲酸氢钾(99%):成都市科隆化学品有限公司;试验用水为去离子水。
圆形方孔筛(5 目):高硕筛网筛具厂;DHG-9140A电热恒温鼓风干燥箱:上海一恒科技有限公司;C20-HK2002E 多功能电磁炉:广东美的生活电器制造有限公司;HWS-12 电热恒温水浴锅:上海齐欣科学仪器有限公司;GZ-250-S 生化培养箱:韶关市广智科技有限公司;TSQ 8000 三重四极杆气质联用仪:美国Agilent公司。
1.3.1 青稞样品制备
1)空白样品
称取高原青稞750 g,原料不做任何方式处理,作为空白对照组。
2)炒制法
称取青稞750 g 在炒锅中,放入炒制专用陶瓷砂,陶瓷砂与青稞质量比为1∶3,待升温至180 ℃后加入生青稞样品并不断翻炒10 min,至青稞样品表面金黄,用5 目圆形方孔筛网分离青稞和陶瓷砂。
3)微波法
称取青稞750 g 装在陶瓷盘中,微波炉中高火处理5 min 后取出。
4)破碎法
称取青稞750 g,采用粉碎机进行粉碎到能通过10 目筛的细粉不超过20%。
5)炒制破碎法
称取青稞750 g,依次采用方法2)和4)共同处理。
1.3.2 青稞白酒加工工艺流程
参考李玉英等[12]的方法,青稞白酒发酵工艺如下。
青稞→原料处理→泡粮→蒸粮→摊凉→拌曲→拌糠壳→糖化→恒温发酵→蒸酒→青稞白酒。
1)泡粮:将5 种不同原料处理方式下的青稞泡粮22 h 后沥干水分。
2)蒸粮:用蒸锅蒸煮青稞米50 min,精选稻壳敞开蒸30 min。
3)摊凉、拌曲:摊凉青稞米至35 ℃左右后,称取0.12%含量的甜酒曲搅拌均匀。
4)糖化:拌好曲与糠壳后放入30 ℃恒温箱中糖化24 h。
5)发酵:糖化后装罐,28 ℃恒温箱密封发酵15 d。
6)蒸酒:15 d 后从发酵罐取出,蒸锅蒸出白酒,常温密封保存。
1.3.3 理化指标的测定
酒精度测定参照GB/T 10345—2007《白酒分析方法》[13]的方法。
酸度、水分、还原糖、淀粉测定参考DB34/T 2264—2014《固态发酵酒醅分析方法》的方法。
1.3.4 风味物质的测定
检测仪器:TSQ 8000 三重四极杆气质联用仪。升温程序:初始温度40 ℃,保持5 min,先以5 ℃/min 升温到70 ℃,再以8 ℃/min 升温到180 ℃,最后以12 ℃/min升温到220 ℃,保持8 min。
通过Xcalibur 软件图谱库进行化合物的检索与分析,通过峰面积归一化法确定各挥发性物质的相对含量[14],计算公式如下。
式中:C 为单组分挥发性化合物成分相对含量,%;M 为单组分挥发性化合物成分峰面积;N 为总峰面积。
1.3.5 感官评价标准
参照GB/T 33405—2016《白酒感官品评术语》、GB/T 33404—2016《白酒感官品评导则》,参考祝成等[15]的方法,由6 位具有一定专业知识的人员从青稞酒色泽、香气、口味方面进行感官评分。感官评价标准见表1。
表1 感官评价标准
Table 1 Sensory evaluation criteria
指标 评分标准 评分色泽 无色,清亮透明,无悬浮物 9~10无色,透明,无悬浮物 7~8略带黄色,较为透明,稍有悬浮物 3~6色泽差,浑浊,悬浮物较多 0~2香气 酒香浓郁,有青稞粮香,无异香 14~15酒香较为浓郁,有青稞粮香,无异香 10~13酒香不明显,无青稞粮香,稍有异香 5~9酒香寡淡,无青稞粮香,异杂味明显 0~4口味 柔净清爽,醇香,甜味适中 18~20柔净,较为醇香,甜味适中 12~17淡薄,略酸,带苦味 6~11酸苦味重,有邪杂味 0~5
试验结果均以平均数±标准差形式表示,测定次数n=3,以方差分析ANOVA 来检测平均值之间的差异,P<0.05 表示差异显著,使用Origin 2018 软件作图,SPSS 软件统计分析试验数据。
2.1.1 不同原料处理方式对青稞白酒酒醅酒精度的影响
酒醅酒精度与酵母发酵状态及出酒率高低息息相关,通过测定酒醅酒精度可知酒醅内部实际发酵情况。不同原料处理方式对青稞白酒酒醅酒精度的影响见图1。
图1 不同原料处理方式对青稞白酒酒醅酒精度的影响
Fig.1 Effect of different raw material treatment methods on the fermented grains of highland barley Baijiu
由图1 可知,5 种原料处理方式下的酒醅酒精度发酵2 d 时酒精度快速增加,2 d~8 d 时酒精度缓慢增加,8 d 后保持小幅度波动的趋势。5 种原料处理方式下酒醅最高酒精度都小于19%vol,这是因为前期刚入酵酒醅酒精度较低,酿酒酵母发酵产酒精迅速,当酒精度含量超过15%vol 后,会抑制该酿酒酵母的发酵[16]。达到稳定后的酒醅酒精度由大到小依次为炒制破碎>破碎>炒制>微波>空白,原因可能是青稞米淀粉含量高且颗粒较大,破碎能减小颗粒体积,增加接触面积,有利于淀粉溶出,培菌糖化更充分,从而提高了酿酒酵母对淀粉的利用率。炒制和微波高温加热都有利于淀粉糊化,但青稞米颗粒较大,两种处理方式只对青稞米表面淀粉糊化有作用,与空白对照相比,炒制和微波两种方式对提高青稞酒酒醅的酒精度影响较小。炒制破碎结合了炒制与破碎两种原料处理方式,发现炒制破碎比仅破碎后的酒精度略有提高,这也印证了炒制与空白两组试验结果。
2.1.2 不同原料处理方式对青稞白酒酒醅酸度的影响
不同原料处理方式对青稞白酒酒醅酸度的影响见图2。
图2 不同原料处理方式对青稞白酒酒醅酸度的影响
Fig.2 Effect of different raw material treatment methods on acidity of fermented grains of highland barley Baijiu
由图2 可知,5 种原料处理方式下,随着发酵时间的延长酒醅酸度呈现发酵2 d 快速增加,2 d~8 d 酒醅酸度缓慢增加,8 d 后达到较为稳定的状态。测得5 种原料处理方式的酒醅酸度在14 d 后由大到小依次为炒制破碎>炒制>微波>破碎>空白,结果说明炒制、微波、破碎3 种方式都能提高酒醅酸度,而炒制破碎能结合两者的优点进一步提高酒醅酸度。推测原因可能是高温炒制与微波热处理会使青稞米产生焦糖化反应和美拉德反应,这有利于淀粉糊化及后续糖化发酵,其中高温炒制对淀粉的糊化的作用大于微波热处理。
2.1.3 不同原料处理方式对青稞白酒酒醅水分的影响
水分是固态发酵白酒的重要条件之一,酿酒酵母的生长繁殖和代谢与水分密切相关,淀粉的糊化和糖化也需要水分的参与,酒醅水分不足,会导致酒醅干涩,发酵不完全,酒醅水分过多,会导致酒精度和香味物质含量降低,蒸馏出的白酒品质降低。不同原料处理方式对青稞白酒酒醅水分含量的影响见图3。
图3 不同原料处理方式对青稞白酒酒醅水分含量的影响
Fig.3 Effect of different raw material treatment methods on water content in fermented grains of highland barley Baijiu
由图3 可知,5 种原料处理方式下的酒醅水分含量总体呈现0~8 d 稳定增长,8 d~14 d 趋于稳定的趋势,14 d 后的酒醅水分含量由大到小依次为炒制破碎>破碎>炒制>微波>空白。原因可能是青稞为高淀粉谷物,淀粉易吸水,破碎处理后的青稞经泡粮22 h 后蒸煮,吸收的自由水含量大于未破碎的青稞,因此,在后续的糖化发酵中发酵罐水分更多,更有利于发酵。炒制和微波处理可使淀粉变性,有利于淀粉进一步吸水糊化,其中炒制的影响大于微波处理。
2.1.4 不同原料处理方式对青稞白酒酒醅还原糖的影响
酒醅淀粉水解生成还原糖,是酿酒酵母产酒发酵的直接利用底物。酒醅糖化程度及产酒酵母微生物代谢发酵程度可以直接用酒醅残糖含量的变化反映,从而有效分析酒醅发酵状态,便于后续工艺优化的调控。不同原料处理方式对青稞白酒酒醅还原糖含量的影响见图4。
图4 不同原料处理方式对青稞白酒酒醅还原糖含量的影响
Fig.4 Effect of different raw material treatment methods on reducing sugar content in fermented grains of highland barley Baijiu
由图4 可知,5 种原料处理方式下的酒醅还原糖含量整体呈现先快速上升后波动下降的趋势,发酵14 d 内的还原糖含量最高值由大到小依次为破碎>炒制破碎>炒制>微波>空白,其中炒制破碎和破碎方式的酒醅还原糖在发酵6 d 达到最高值,炒制和微波处理方式在4 d 达到最高值,之后均呈现波动下降直至发酵结束,还原糖含量仍有少量下降。推测原因可能是初期发酵时窖醅氧气充足,微生物利用糖化过程产生的少量还原糖进行生长代谢,分泌的淀粉酶和糖化酶促进还原糖含量快速增加;发酵后期进行无氧产酒发酵,还原糖被酿酒酵母利用含量逐渐减少,其中破碎处理后青稞颗粒变小更有利于糖化培菌过程,微生物快速生长繁殖从而产生更多糖化酶和淀粉酶分解淀粉,炒制和微波处理同样有较小的促进作用,猜测是微生物更容易分解利用糊化后的淀粉。以上与成东东等[17]研究清香型白酒酒醅的酒精度在第15 天达到最大值,酒醅酸度逐渐增加,还原糖含量先增加后降低的结果相一致。
2.1.5 不同原料处理方式对青稞白酒酒醅淀粉的影响
酒醅中淀粉是酒精发酵的基础,其含量的变化可以反映酒醅微生物利用淀粉的能力,此外,微生物的生长也需要淀粉做碳源[18]。不同原料处理方式对青稞白酒酒醅淀粉含量的影响见图5。
图5 不同原料处理方式对青稞白酒酒醅淀粉含量的影响
Fig.5 Effect of different raw material treatment methods on starch content in fermented grains of highland barley Baijiu
由图5 可知,不同原料处理方式下酒醅淀粉含量整体呈现先快速下降后波动下降的趋势,发酵14 d 时的酒醅淀粉含量由高到低依次为空白>微波>炒制>破碎>炒制破碎。其中炒制破碎、破碎处理后的酒醅在0~6 d 淀粉含量快速下降,6 d~14 d 后酒醅淀粉含量下降速度变缓;炒制、微波热处理后酒醅淀粉含量在0~8 d快速下降,8 d~14 d 内下降速度变缓,破碎、炒制、微波处理对固态发酵下青稞白酒酒醅淀粉利用都有促进作用,且破碎后淀粉的利用率明显高于其它处理方式,采用炒制破碎方式处理青稞后酒醅淀粉的利用率最高,原因可能是破碎能最大程度地释放淀粉颗粒,经泡粮、蒸粮、糖化步骤后淀粉糊化更充分,快速水解为还原糖,后续酒醅微生物能短时间利用充足的碳源,快速生长繁殖产酒。
以上关于清香型青稞白酒酒醅理化指标发酵的研究结果比以往研究更进一步,马群等[19]通过工厂发酵研究酒醅的发酵过程,发现水分、酸度、淀粉浓度对酒醅发酵都有极大的影响,这与本文结论一致,此外本试验还探究了酒醅酒精度和还原糖变化,进一步说明影响酒醅的因素是多方面的。贾丽艳等[20]发现,清香型白酒酒醅发酵结束后pH3.3,呈酸性,其中酒精、水分、淀粉含量变化与本试验研究结果趋势一致。Hu 等[21]团队发现,影响微生物在白酒发酵过程中最大的2 个因素是酸度和温度,其中酸度的研究结果与本试验一致,即先迅速升高后保持稳定的趋势。
小曲清香型白酒风味物质中醇类和酯类含量最高,研究表明,这与乳酸杆菌和酵母群落演替有关[22]。不同原料处理方式下青稞白酒风味物质及含量见表2。
表2 不同原料处理方式下青稞白酒风味物质及含量
Table 2 Flavor substances and content of highland barley Baijiu under different raw material processing methods
类别 风味物质 保留时间/min 呈味挥发性化合物含量/%空白 炒制 微波 破碎 炒制破碎醇类 甲醇 3.32 温和酒精气味,刺激 29.84 26.41 27.87 25.38 31.68乙醇 4.16 酒精辛辣刺激、味甜 21.96 34.81 37.41 41.72 37.02 2-甲基-3-戊醇 6.30 — — — — 0.02正丙醇 6.86 似醚臭,刺激,有苦味,带麻味 0.30 0.19 0.23 0.37 0.28异丁醇 8.76 微弱油臭,麻醉样气味,味刺激,苦 0.04 1.17 1.69 4.00 2.35桉叶油醇 11.33 樟脑气味,带有清香草药香 0.69 0.44 0.46 0.73 0.74异戊醇 12.18 香蕉味,有刺舌,味涩, 4.31 1.70 2.58 5.87 3.96正戊醇 13.25 略有奶油味、灼烧味 0.13 0.08 0.09 0.14 0.15正己醇 15.27 芳香气味,粘稠感气味持久,味微甜,有浓厚感 — — — — 0.07六氟异丙醇 16.08 — — — — 0.02(2S,3S)-(+)-2,3-丁二醇 19.03 0.13 — — — —苯乙醇 24.37 玫瑰花香,甜香气,先微苦后甜的桃子味,带涩 0.18 0.09 0.11 0.27 0.17六聚乙二醇 27.49 0.49 — — — —酸类 甲基牛磺酸 1.54 — — — 0.33 —乙酸 17.39 醋酸气味,爽口带酸微甜,带刺激 0.50 0.25 0.27 0.62 0.60正丁酸 20.31 大曲酒糟香和窖泥味,微酸甜 0.36 0.18 0.22 0.30 0.33蝶呤-6-羧酸 21.23 — — 0.02 — —正己酸 23.43 有刺激感,似大曲酒气味,爽口 0.50 0.18 0.23 0.35 0.34棕榈酸 26.09 — 10.20 — 1.23 1.52硬脂酸 27.16 牛油果气味 — — 3.80 — —醛类 甘油缩甲醛 1.85 0.15 — — — —乙醛 1.95 绿叶及青草气味,微带水果味,有刺激性气味,味微甜,带涩 0.14 0.22 0.07 0.30 0.32乙缩醛 3.32 羊乳干酪味,柔和爽口,味甜带涩 — 0.53 0.37 0.84 0.79酯类 乙酸乙酯 3.01 香蕉-苹果水果香、味刺激,带涩味 0.79 0.35 0.42 0.30 0.30丁酸乙酯 6.30 菠萝果香气味,味涩爽口 0.03 0.02 — 0.03 0.04己酸乙酯 11.84 菠萝果香气味,味甜爽口 — 0.60 0.60 — —
续表2 不同原料处理方式下青稞白酒风味物质及含量
Continue table 2 Flavor substances and content of highland barley Baijiu under different raw material processing methods
注:—表示含量极微,几乎检测不到。
类别 风味物质 保留时间/min 呈味挥发性化合物含量/%空白 炒制 微波 破碎 炒制破碎庚酸乙酯 14.75 似苹果香气味,带脂肪臭 0.04 0.02 — 0.06 0.05丁二酸二乙酯 15.12 果香气味,味微甜涩苦 — — — 0.05 0.06乳酸乙酯 15.27 微有脂肪气味,适量时有浓厚感,带涩苦 0.33 0.16 0.23 0.07 0.31 3-甲基戊酸乙酯 16.39 苹果样香气,味微甜,带涩 0.01 — 0.04 0.01 0.01辛酸乙酯 16.82 水果样气味 0.06 — — — 0.06己二酸二辛酯 21.98 — 0.81 — — —烯丙基二甘醇二碳酸酯 24.83 — — — — 0.02棕榈酸乙酯 27.93 微有油味,带甜味 0.20 0.14 4.03 0.25 0.28其它 乙醚 1.70 特殊刺激,带甜味 5.30 3.80 3.58 0.34 3.73十二烷基七聚乙二醇醚 27.16 0.07 — — — —八(乙二醇)一(十二烷基)醚 27.34 1.03 2.10 1.01 0.76 1.10丙酮 2.37 带弱果香,微甜刺激感 0.54 0.37 0.34 0.45 0.49 1-甲基-2-吡咯烷酮 20.95 0.45 1.70 — — —N-甲基吡咯烷酮 21.23 4.59 — 2.10 0.12 2.91 1,1-二氯乙烷 2.93 0.11 0.13 0.11 0.04 0.03二噁烷 7.64 — 0.25 — — 0.38 3-亚甲基-6-(1-甲基乙基)环己烯 10.49 — — — — 0.08
由表2 可知,空白、炒制、微波、破碎、炒制破碎5种原料处理方式下挥发性化合物种类分别为29、27、25、27、33 种,相比于空白对照,其余4 种原料处理方式都检测到了空白组未检测到的风味物质种类,其中炒制破碎后检测到的风味物质种类最多,有33 种。分析原因可能是高温炒制能让青稞米淀粉发生美拉德反应和焦糖化反应,不饱和脂肪酸氧化后能产生新物质;微波热处理使青稞米表面淀粉膨化变性,经发酵后可能产生新的风味物质;而破碎有利于淀粉颗粒糊化及糖化发酵,加快后续产醇产酸产酯等物质的反应,增加风味物质种类,提高风味物质含量。
5 种原料处理方式下醇类物质相对含量依次为58.07%、64.89%、70.44%、78.48%、76.46%,且均为乙醇和甲醇的相对含量最高,是主要醇类成分;其次是异丁醇、异戊醇含量较高,(2S,3S)-(+)-2,3-丁二醇和六聚乙二醇是空白组所特有的醇类物质,2-甲基-3-戊醇、正己醇、六氟异丙醇是炒制破碎后特有的醇类物质。总体而言,原料处理过后的总醇相对含量都大于未处理的空白组,且破碎处理后的青稞米中总醇相对含量最高,说明青稞米破碎处理后发酵产酒效果最好,炒制破碎方式处理的青稞米,其总醇含量略低于破碎方式,但醇类物质种类增加。
酯类物质是青稞白酒呈香的主要风味物质,也是第二大类挥发性化合物,多为香蕉、苹果、菠萝等果香。5 种原料处理方式下分别检测到7、7、5、7、9 种酯类物质,共11 种,主要为乙酸乙酯、棕榈酸乙酯、己酸乙酯,己二酸二辛酯是炒制方式下所特有的酯类物质,烯丙基二甘醇二碳酸酯是炒制破碎法下特有的酯类物质。试验发现,微波热处理方式后的棕榈酸乙酯相对含量为4.03%,高于其它试验组,,原因可能是微波热处理后青稞酒醅产酯种类减少,但有利于棕榈酸乙酯的生成。丁二酸二乙酯只在破碎和炒制破碎两种处理方式中检测到,猜测是青稞破碎处理后才生成的特有酯类物质。
酸类物质在白酒中含量不及醇类、酯类,但同样对白酒呈香具有重要影响[23]。青稞白酒中的主要酸类物质为乙酸、棕榈酸,甲基牛磺酸和蝶呤-6-羧酸在微波处理方式下首次检测到。试验发现,炒制后白酒总酸相对含量远高于其它4 种原料处理方式,说明炒制法确实有利于白酒酒醅发酵产酸。不过本试验也有不足之处,检测出的风味物质总类相对较少,吉生军等[24]用GC-MS 法测定并分析青稞酒样品,鉴定出青稞酒中化学成分多为酯类、醇类,其中酯类成分52 种、醇类成分25 种、酸类成分13 种、醛类成分3 种、杂环类成分16 种、芳香类成分9 种。高文俊等[25]发现,青稞白酒中含量较高的为酯、醇和酸类物质,个别化合物含量较高的有乙酸乙酯、乳酸乙酯、丁酸乙酯、乙酸、1-丙醇、3-甲基丁醛和乙缩醛,与本试验的研究结果相吻合。
青稞白酒感官评价结果见表3。
表3 青稞白酒感官评价结果
Table 3 Sensory evaluation results of highland barley Baijiu
注:字母不同表示差异显著(P<0.05)。
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由表3 可知,不同原料处理方式下蒸馏白酒的感官评分由高到低为炒制破碎>炒制>微波>空白>破碎,炒制破碎青稞白酒感官评分高于其它4 组,综上所述,炒制破碎法最优。
选用炒制、微波、破碎、炒制破碎4 种原料处理方式分别对青稞米进行处理,以未经任何处理的青稞做空白对照进行白酒固态发酵试验。连续测量5 组发酵罐酒醅的酒精度、酸度、还原糖、淀粉、水分5 个理化指标,并对发酵结束后蒸馏出的青稞白酒进行GC-MS分析,结合感官测评综合选择出最优的原料处理方式为炒制破碎法,该法的酒醅淀粉利用率较高,且青稞白酒风味物质种类有所增加,有利于进一步提高青稞白酒的品质和酒醅原料利用率。
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