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，2，*（.四川理工學院生物工程學院，四川自貢643000；2.釀酒生物技術及應用四川省重點實驗室，四川自貢643000）

生料釀酒是相對于傳統釀酒將原料蒸熟糊化后進行糖化發酵而言的。在生料釀酒過程中，原料不經蒸煮糊化，直接經酶制劑糖化后進行發酵[1-2]。因此，生料釀酒減少了糧食蒸煮過程中能量的投入，降低了生產成本；并且原料不經加熱糊化，簡化了生產工藝[3-4]，降低了操作難度；酶制劑的應用使原料糖化更徹底，具有更高的出酒率，具有很好的社會及經濟效益[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原料經水解成葡萄糖后，進一步發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，當它遇水時，水分子會逐步侵入其內部，與一部分淀粉分子結合，淀粉膠束間隙逐漸擴大，體積膨脹，其淀粉卷繞螺旋伸展，暴露許多羥基，它能與其他有機物物質以氫鍵連結，吸附物質。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度有關[8-10]。不同來源的原料因其淀粉性質存在一定的差異[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行生料釀酒比較其釀造特性，結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，對原料淀粉酶解前后的淀粉形態進行電鏡觀察，發酵液中的理化指標進行分析，發現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 儀器與設備

紫外可見分光光度計（UV-1200）：翱藝儀器上海有限公司；恒溫培養振蕩器（ZHWY-103D）：上海智城分析儀器制造有限公司；全自動高壓蒸汽滅菌鍋（MLS-3020）：北京艾飛博科技有限公司；超凈工作臺（SW-CJ-2D）：江蘇蘇凈集團有限公司；離心機（5430）：Eppendorf中國有限公司；SuperAlcomat高精度數顯酒精濃度計：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 原料預處理

挑取無霉變、無雜質、新鮮的大米、玉米，粉碎，過60目篩。

1.3.2 生料發酵工藝

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℃恒溫培養箱中靜置培養2天后加發酵栓密封發酵，每天測一次酒精度、淀粉含量、還原糖等發酵特性指標，測10 d。

1.3.3 酒精含量的測定

吸取發酵醪液100 mL于500 mL蒸餾器中，加50 mL去離子水，再加入玻璃珠數粒后，蒸餾，用100mL容量瓶收集餾出液100 mL，用高精度數顯酒精濃度計測量其酒精度。

1.3.4 出酒率的測定

每瓶發酵醪液產乙醇總質量占所投原料總質量的比值，即為原料出酒率；每瓶發酵醪液產乙醇總質量占所投淀粉總質量的比值，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行電子顯微鏡觀察。

1.3.6 原料淀粉顆粒形態的觀察

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

1.3.7 淀粉和還原糖含量檢測

淀粉含量的測定采用鹽酸水解法[13]；還原糖的測定采用DNS法[14]。

2 結果與討論

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的重要經濟技術指標，它還能反應原料的轉化和利用效率，提高轉化效率可降低生產成本，獲得更高的經濟效益[15]。對兩種原料淀粉含量進行分析，結果見圖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%。對兩種原料生料釀造產酒能力進行比較，結果見圖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。對兩種原料的淀粉出酒率進行比較，結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。此結果與先前的報道[8]相似。

2.2 兩種不同原料酶水解前后淀粉顆粒形態的變化

對兩種原料酶水解前后淀粉顆粒形態進行了對比分析，結果見圖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，電子顯微鏡結果顯示，水解前兩者的淀粉顆粒形態都較大，但大米淀粉主要呈片層結構，玉米淀粉主要呈粒狀結構，這種結構上的差異表明可能大米淀粉更容易被酶水解；酶水解后發現，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，有利于進一步酶水解。

2.3 淀粉含量在發酵過程中的變化

淀粉是生料釀造過程中微生物生長繁殖和代謝的最主要的營養物質[16-17]，必須通過微生物自身代謝所產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，以供微生物生長代謝，發酵過程中淀粉含量變化是衡量發酵進行的重要依據。淀粉含量在發酵過程中的變化見圖4

圖4 發酵過程中淀粉含量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，直至發酵結束。這可能是由于發酵前期，發酵液中營養物質豐富，微生物代謝旺盛，微生物產生的大量淀粉酶，以及生料酒曲中的酶系將淀粉降解為可發酵性糖導致發酵液中淀粉含量快速下降，發酵后期淀粉含量下降速度變緩可能是由于發酵液中的營養物質相對匱乏以及微生物產生的酒精等代謝產物抑制了微生物的生長以及酶的活性。

2.4 還原糖在發酵過程中的變化

發酵是否徹底，可以通過檢測還原糖含量確定。生料酒精發酵還原糖含量變化見圖5。

圖5 發酵過程中還原糖含量Fig.5 Reducing sugar content during the fermentation

程糖化和發酵反應一直在平衡同步進行。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生酒精。這樣邊糖化邊發酵的過程，使酵母菌處于較低的滲透壓環境中，原料利用率更高。發酵液中還原糖含量的高低可以反應微生物對原料利用能力的強弱。由圖5可知，在整個發酵過程中玉米發酵液中的還原糖含量均高于大米發酵液，這可能就是由于兩種原料所產生的還原糖成分存在差異，酵母對大米淀粉所產生的還原糖利用率更高。

2.5 酒精度在發酵過程中的變化

酒精度在發酵過程中的變化規律見圖6。

圖6 發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，酵母將水解生產的葡萄糖發酵生成酒精，使樣品中的酒精度不斷提高。大米玉米生料發酵10天時，酒精度就達到最高點。酒精度的變化規律與淀粉變化規律相反，隨淀粉的降低呈上升趨勢，符合發酵規律。

3 結論

本試驗對玉米生料與大米生料釀酒特性進行了研究。結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致了大米比玉米生料釀酒具有更高的出酒率，對不同原料酶水解前后淀粉結構和生料釀造特性進行了研究。結果表明水解前兩者的淀粉顆粒形態較大，玉米淀粉顆粒呈粒狀，大米顆粒呈片層結構；酶水解后大米淀粉顆粒相對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，將有利于進一步降解利用。對兩種原料進行生料發酵，測定其發酵液中淀粉和還原糖含量的變化，結果發現兩種發酵液中的淀粉含量都有明顯的下降，而發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生的還原糖更容易，而利用玉米水解產生的還原糖更難，可能的原因在于兩種原料所產生的還原糖成分存在差異。從而得出結論：大米相對于玉米進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構差異和酶水解后產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發酵時間以提高原料利用率。

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