脈沖電場對啤酒大麥萌發性質的影響

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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,在適當的溫度濕度條件下萌發,產生一系列酶,在后續啤酒原料處理過程中使淀粉、蛋白質等大分子物質分解,為酵母發酵提供養分。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。目前應用較多的大麥來自澳大利亞和加拿大。

我國是啤酒生產和消費大國,但麥芽質量遠遠不能滿足啤酒工業發展的要求,主要問題之一在于大麥品種不好、類型單一、麥芽質量不高且不穩定。農業部門可以改良品種,但工業部門只有通過改良加工工藝和優化工藝條件來提高產品質量。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)在食品工業中的應用研究已經有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。在發現PEF可以對干燥狀態的糙米產生作用[4]后,針對固相食品體系的系列基礎研究工作逐步展開,且結果均顯示，PEF具有明確的作用,已進行的工作涉及蛋白質結構和功能性質、油脂的得率和性質及蘋果質構和果汁得率等方面[5-10]。PEF在醫學上應用較多,但在食品工業中用于細胞促進作用的研究未見報道。

本文評價PEF對大麥萌發活力及相關性質的影響,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 揚農啤12號,由揚州大學農學院提供;品種的基本特征為千粒重40 g,發芽率95%,飽滿粒率98.8%,蛋白質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,置于生化培養箱內19 ℃避光發芽,當葉芽平均長度為麥粒長的3/4左右時發芽完成。

1.2.1.4 干燥 綠麥芽經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、發芽勢、發芽率、簡化活力指數測定 發芽后綠麥芽直接稱量所得質量除以100為單株麥芽鮮重(mg/株),綠麥芽經干燥后的總質量除以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。發芽勢(%)=(第2 d正常發芽的種子數/總種子數)×100。發芽率(%)=(第3 d正常發芽的種子數/總種子數)×100。簡化活力指數=麥芽葉芽長度×發芽率。

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)。根據文獻[11]和[12]制備酶液和測定,以單位質量樣品的活力單位(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),根據文獻[13]測定。

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

1.2.2.6 氨基態氮測定 根據QB/T 1686-2008進行。

1.3 統計分析

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

2 結果與分析

2.1 PEF對芽長、根長、鮮重、干重、發芽勢、發芽率和簡化活力指數的影響

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均顯著(p<0.05)高于對照組。

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

種子萌發活力一般用芽長、根長、鮮重、干重、發芽勢、發芽率和簡化活力指數等指標評價。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過程中的生長量的大小,發芽勢高表示種子萌發所需的時間短,發芽率高表示種子的成活率高,而簡化活力指數則是種子發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量越大,說明種子的萌發活力越強。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:改變種子體內生物膜電位;使細胞內蛋白質、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生變化;使種子內自由基含量顯著增加，從而激活與生物膜相結合的腺苷酸環化酶,導致基因活化,使負責酶合成的基因解除抑制;以及使種子萌發過程中ATP含量增加等。種子萌發是一個復雜的生理過程,各指標間很難用一個通用規律描述總結。PEF用于大麥發芽的文獻未見報道,關于PEF作用機理研究在進行中,后續將分別報道。

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[14]。提高浸麥度和發芽溫度、延長發芽時間可以降低β-葡聚糖含量,但會使麥芽的蛋白質溶解指數偏高、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,進而提高生產效率和麥芽及啤酒質量。

2.2.2 淀粉酶活力 淀粉酶在大麥萌發時能快速啟動初期物質和能量代謝,其活力高低是大麥萌發快慢的主要原因[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,提高大麥的發芽速度,縮短發芽周期,可以降低生產成本。

2.3 PEF對還原糖、氨基態氮和可溶性蛋白質含量的影響

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酵性糖。還原糖含量過低不利于啤酒發酵,易引起酵母早期沉降、殘糖多和還原雙乙酰慢等問題。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 氨基態氮和可溶性蛋白質 麥芽中的蛋白質會對麥汁色度、啤酒渾濁和泡沫穩定性產生影響[17-18]。在制麥過程中,蛋白質在蛋白酶的作用下逐漸分解為低分子肽類和氨基酸,這些營養物質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,發酵能力強有利于啤酒生產[19],氨基態氮也與啤酒的風味有關。啤酒中與可溶性蛋白質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含量為指標進行描述。從表1可看出,麥芽可溶性蛋白質含量隨著場強增大呈現緩慢增加的趨勢,增幅為4.79%～17.19%,差異顯著(p<0.05)。氨基態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對大麥萌發活力影響的綜合評價

2.4.1 相關性分析 從表2相關系數矩陣表可看出,除干重和可溶性蛋白質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、發芽勢、簡化活力指數、α-淀粉酶活力、β-淀粉酶活力、還原糖含量和可溶性蛋白質含量,根長與根數、發芽勢、發芽率、簡化活力指數、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含量,根數與發芽勢、β-淀粉酶活力、還原糖含量,發芽勢與簡化活力指數、β-淀粉酶活力和還原糖含量,發芽率與簡化活力指數、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、芽長、發芽勢、β-淀粉酶活力、根數、發芽率、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含量、氨基態氮含量和β-葡聚糖酶活力的信息。由主成分載荷矩陣數據與主成分對應特征值的平方根相除可得各指標對應系數的特征向量矩陣(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、鮮重、干重、發芽勢、發芽率、簡化活力指數、β-葡聚糖酶活力、α-淀粉酶活力、β-淀粉酶活力、還原糖含量、可溶性蛋白質含量和氨基態氮含量,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:

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

將標準化后發芽指標變量的數值代入式Y1、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)?？梢钥闯?PEF強度對大麥萌發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 結論

脈沖電場可促進大麥萌發,大大提高相關指標水平。與未經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、鮮重、干重、發芽勢、發芽率和簡化活力指數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、可溶性蛋白質含量和氨基態氮含量等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含量之間呈負相關外,其它指標間都呈正相關,大多數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的處理可以大大提高所得啤酒麥芽的品質,但其作用機理仍需要進一步研究。