3 種高粱品種淀粉特性和釀造黃酒的風味品質分析

王志偉，閆鳳霞，徐嘉良，柳青山，任 清,*

（1.北京工商大學食品學院，食品添加劑與配料北京高校工程研究中心，北京 100048 ；2.山西省農業科學院高粱研究所，山西 晉中 030600 ）

高粱屬于禾本科高粱屬（Sorghum）植物，具有高產和高抗逆性（抗旱、抗澇、耐鹽堿、耐貧瘠等）的特點，因此被廣泛種植，其種植面積和總產量僅次于小麥、玉米、水稻和大麥，是世界上第5大糧食作物。高粱在我國已經有5 000多年的種植歷史，成為我國重要的糧食產物，在國民經濟中占有極其重要的地位[1]。高粱成分包括淀粉（直鏈淀粉、支鏈淀粉）、蛋白質、賴氨酸、脂肪、單寧等，其中，淀粉占有很大的比例，因此，高粱是白酒釀造的主要原料之一[2]。黃酒是我國的傳統酒，是世界三大古酒之一，至今已有六七千年的歷史。北方黃酒的原料主要是黍米，南方黃酒的原料主要是糯米，它是利用麥曲中所含的多種微生物和酵母的共同作用釀造而成的[3]。隨著科技水平的發展和人們生活水平的提高，高品質、高多樣性的酒類被越來越多的人所需求，所以，高粱也逐漸開始作為原料來釀造黃酒。‘晉雜22號’、‘晉粱白2號’和‘晉粱白3號’為釀造白酒的主要原料，含有豐富的營養物質，所以本實驗采用這3 種高粱為原料來釀造黃酒，并且研究其淀粉特性及對釀造過程中風味物質的影響。

黃酒中含有大量的風味物質，風味物質主要是發酵醪中的微生物利用葡萄糖產生的，而葡萄糖則是高粱原料中的淀粉分解產生的，所以，淀粉含量越高，轉化得到的糖類物質越多，風味物質的含量也就越多。近年來，不少學者對黃酒風味物質尤其是其中的揮發性成分進行研究。羅濤等[4]參考了國內外多種飲料酒中風味物質的研究方法，最終采用頂空固相微萃取技術對黃酒中揮發性和半揮發性成分進行檢測，并且從黃酒中檢測到了63 種揮發性和半揮發性風味物質。Cao Yu等[5]利用頂空固相微萃取檢測了紹興黃酒的揮發性風味物質，總共檢測到54 種風味物質，并利用主成分分析確定該地區的特征風味物質。王培璇等[6]利用頂空固相微萃取和氣相色譜-質譜（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）技術聯用，對12 個不同地區黃酒進行了檢測，一共檢測到了142 種風味物質。但是目前針對高粱釀造的黃酒的研究尚鮮見報道，所以有必要選擇合適的研究方法來分析不同高粱品種釀造的黃酒的風味物質的種類及含量，這對新型黃酒產品的研制和生產具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

高粱（‘晉雜22號’、‘晉粱白2號’、‘晉粱白3號’） 山西省農科院高粱研究所；麥曲 張家口北宗黃酒釀造有限公司；酵母 湖北安琪生物集團有限公司；糖化酶 湖南新鴻鷹生物工程有限公司；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

T-6紫外-可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司；PHS-3D pH計 上海三信儀表廠；電子天平 北京賽多利斯儀器系統有限公司；VEGAII型掃描電子顯微鏡 捷克Tescan公司；Q200型差示掃描量熱儀 美國TA公司；50/30 μm DVB/CAR/PDMS固相微萃取纖維、57330-U固相微萃取柄 美國Supelco公司；2010PlUS GC-MS聯用儀 日本Shimadzu公司；酒精計河間市雙塔儀表廠。

1.3 方法

1.3.1 高粱籽粒微觀形態的檢測

參考文獻[7]的方法，利用掃描電子顯微鏡對3 種高粱籽粒進行觀察，將顆粒均勻飽滿的高粱籽粒從臍縫中一切為二，用鑷子將顆粒固定在載物臺上進行觀測。放大2 000 倍，觀察高粱籽粒內部顆粒微觀形態。

1.3.2 高粱淀粉的提取

采用濕磨法[8]提取高粱淀粉。高粱籽粒的種皮中含有大量的單寧和紅色素，因此在提取淀粉時，首先要去除種皮，常用的方法是堿法去皮。稱取100 g高粱樣品，清洗干凈后，加200 mL蒸餾水，其中含2.5 g/L NaOH，5 ℃浸泡24 h。取出后用清水反復清洗，再將其浸泡在200 mL 60 g/L NaOH溶液中，55 ℃水浴10 min。用大量清水洗掉種皮后，加適量水用組織搗碎機高速打磨，直到可以通過200 目篩為止。將過篩物靜置1 h，去除上層灰白色的非淀粉物質，然后1 500 r/min離心10 min，去除上層灰白色的非淀粉物質，將得到的淀粉攤開放入培養皿中，40 ℃烘箱內過夜。粉碎后即得到高粱淀粉樣品。

1.3.3 理化指標測定

淀粉質量分數的測定：參照GB 5009.9—2016《食品安全國家標準 食品中淀粉的測定》[9]；蛋白質量分數的測定：參照GB 5009.5—2016《食品安全國家標準 食品中蛋白質的測定》[10]；直鏈淀粉質量分數的測定：參照GB/T 15683—2008《大米 直鏈淀粉含量的測定》[11]；粗脂肪質量分數的測定：參照GB/T 5009.6—2016《食品安全國家標準 食品中脂肪的測定》[12]；乙醇體積分數、總酸質量濃度的測定：參照GB/T 13662—2008《黃酒》[13]；還原糖質量濃度的測定：3,5-二硝基水楊酸比色定糖法[14]。出酒率按式（1）計算。

碘藍值的測定參照文獻[15]：取2 支500 mL容量瓶作平行樣，加蒸餾水至近刻度，65.5 ℃預熱并定容至刻度，另取2.5 g樣品于500 mL燒杯中，倒入500 mL預熱的蒸餾水，65.5 ℃攪拌5 min，靜置1 min后過濾，濾液保持于65.5 ℃并趁熱吸取5 mL于50 mL顯色管，1 mL 0.02 mol/L碘標準溶液定容至刻度，同時取1 mL 0.02 mol/L碘標準液，定容至50 mL以作試劑空白，以試劑空白調零點，測定樣品在650 nm波長處吸光度A。碘藍值按式（2）計算。

透光率的測定參照文獻[16]：將淀粉樣品加水配成質量分數1%的淀粉乳，取50 mL放入100 mL燒杯中，置于沸水浴中加熱攪拌15 min，并保持原有體積，冷卻至25 ℃。用1 cm的比色杯在620 nm波長處測淀粉糊的透光率，以蒸餾水作為空白，設蒸餾水的透光率為100%。

1.3.4 3 種高粱淀粉溶解度及膨脹度測定

3 種高粱淀粉溶解度及膨脹度的測定參照文獻[17-18]，配制50 mL質量分數2%的淀粉乳，在一定溫度下（分別取30、40、50、60、70 ℃），加熱攪拌30 min后，以3 000 r/min離心20 min，取上層清液離心蒸干，于105 ℃下繼續烘干至質量恒定后稱質量，得到溶解淀粉量，按式（3）計算其溶解度；稱量離心管中膨脹淀粉質量，按式（4）計算其膨脹度，繪制其與溫度變化曲線。

式中：mA為清液烘干至質量恒定后的殘留物質量/g；mW為樣品干基質量/g；mP為沉淀物質量/g；S為溶解度。

1.3.5 3 種高粱淀粉糊化特性測定

參考文獻[19]的方法，稱取一定量的干淀粉，按質量比2∶1加入蒸餾水配成一定濃度的淀粉乳，攪拌均勻，密封，在3～4 ℃的冰箱內靜置24 h，取出，攪拌均勻，準確稱取10～15 mg淀粉乳，放入鋁盒內，密封，平衡1 h后，以10 ℃/min的速率從35 ℃加熱到100 ℃，空盒作參比，繪制熱力學曲線譜圖，記錄和計算起始糊化溫度、頂點糊化溫度、終點糊化溫度及熱焓值。

1.3.6 高粱黃酒釀造工藝流程

料液比1∶4、發酵溫度30 ℃、發酵時間10 d，糖化酶添加量為高粱干質量的0.3%，麥曲添加量為高粱干質量的20%，酵母添加量為高粱干質量的0.2%[20]。

1.3.7 揮發性風味物質測定

揮發性風味物質測定參考文獻[20]的方法。樣品處理：采用50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取頭對黃酒樣品中的揮發性成分進行萃取。在15 mL的頂空瓶中加入8 mL黃酒樣品、2.5 g NaCl，插入萃取頭，于50 ℃吸附萃取45 min，230 ℃條件下解吸5 min，用于GC-MS的數據采集分析。

GC條件：進樣溫度230 ℃，載氣He，分流進樣，分流比50∶1，流速1 mL/min。色譜柱型號為DBWAX（30 m×0.25 mm，0.25 μm），初始柱溫為35 ℃，保持4 min，以5 ℃/min的速率升溫至150 ℃，保持2 min，以3 ℃/min的速率升溫至210 ℃。

MS條件：EI電離源，電子能量70 eV，離子源溫度200 ℃，掃描范圍30.00～350.00 u。

定量方法：采用以2-辛醇為內標的半定量法[21]。

1.4 數據處理與分析

每個實驗在相同實驗條件下重復操作3 次，結果以平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 3 種高粱籽粒微觀形態分析

淀粉顆粒的狀態決定了淀粉的性質，高粱籽粒的內部結構對淀粉的性質及其應用有很大的影響[22]。田曉紅等[23]研究表明，高粱淀粉顆粒為不規則形狀，少數為球形，表面光滑，淀粉顆粒粒徑在5～20 μm之間波動。

圖1 3 種高粱籽粒內部微觀形態Fig. 1 Microstructure of sorghum grains from three varieties

如圖1所示，‘晉雜22號’的淀粉顆粒形狀不規則、大小不一，以圓形為主，顆粒間較為松散。‘晉粱白2號’的淀粉顆粒較大，顆粒間較緊密并且有凝膠物質存在。‘晉粱白3號’的淀粉顆粒大小比較均勻，以橢圓形為主，表面光滑，顆粒間較緊密并且有凝膠物質存在，與蛋白質、脂肪等其他物質結合緊密。

2.2 3 種原料理化指標

表1 3 種高粱理化指標Table 1 Physicochemical indicators of three kinds of sorghum

如表1所示，3 種高粱的淀粉質量分數較為接近，蛋白質質量分數也較為接近。直鏈淀粉質量分數較低的是‘晉粱白2號’和‘晉粱白3號’。粗脂肪質量分數最低的是‘晉粱白3號’。碘藍值是反映淀粉的碘結合性能的一項指標。透光率可用來表征淀粉糊的透明程度，淀粉的來源及種類是影響它的主要原因，其次是糊化后淀粉分子重新排列互相締合的程度。透明度反映了淀粉與水的互溶能力以及淀粉顆粒在水中溶脹分散的程度，分散程度越大越均勻，光線透過量就越大，透光率就越高[24]。由于直鏈淀粉的顯色度高于支鏈淀粉，故含有較高直鏈淀粉的‘晉雜22號’的碘藍值就相應較高，而含有較少直鏈淀粉的‘晉粱白3號’的透光率就相應較高，透明度也就較高。

2.3 3 種原料淀粉溶解度及膨脹度的分析

圖2 不同溫度下3 種高粱淀粉的溶解度曲線（A）和膨脹度曲線（B）Fig. 2 Solubility curves (A) and expansion curves (B) of three sorghum starches at different temperatures

從圖2可知，3 種高粱淀粉的溶解度和膨脹度均隨著溫度的上升而增加，并且在50 ℃時開始明顯增加。‘晉雜22號’的溶解度最高，‘晉粱白3號’的膨脹度最高。研究表明，直鏈淀粉含量高的高粱溶解度較高，支鏈淀粉含量高的高粱膨脹度較高。

2.4 3 種高粱淀粉的糊化特性

表2 3 種高粱淀粉的糊化特性參數Table 2 Gelatinization characteristics of three sorghum starches

在淀粉糊化的過程中，淀粉顆粒在水中因受熱吸水膨脹，使其分子內和分子間的氫鍵破裂，結晶結構被破壞，淀粉顆粒擴散，可溶性淀粉溶出[25]。從表2可以看出，‘晉雜22號’和‘晉粱白2號’在60～100 ℃之間存在一個明顯的吸熱峰，而‘晉粱白3號’在50～80 ℃之間有一個明顯的吸熱峰。前兩種高粱的糊化溫度較高，這說明這兩種淀粉顆粒中的結晶結構在較高的溫度條件下才可被破壞，而‘晉粱白3號’的糊化溫度較低，說明其淀粉顆粒結構較容易被破壞。淀粉的相變吸熱焓代表在相轉變過程中雙螺旋鏈的解開和融化所需要的能量[26]。由表2可知，‘晉粱白3號’的相變吸熱焓最低，‘晉雜22號’和‘晉粱白2號’的相變吸熱焓較高。說明‘晉粱白3號’淀粉中雙螺旋鏈較少，與淀粉顆粒結晶區相鄰的支鏈淀粉雙螺旋的相互作用力較弱，淀粉顆粒中的分子排列無序化，使淀粉更容易糊化[27]。

2.5 3 種高粱發酵過程的乙醇體積分數、還原糖質量濃度、總酸質量濃度和出酒率的變化

表3 3 種高粱發酵過程中乙醇體積分數、還原糖、總酸和出酒率的變化Table 3 Changes in alcohol, reducing sugar, total acid and liquor yield of three sorghum Huangjiu at different fermentation stages

由表3可知，3 種高粱的乙醇體積分數、總酸質量濃度和出酒率隨著發酵時間的延長逐漸增加，還原糖質量濃度在第2天劇烈降低，其后趨于平緩。不同品種高粱的淀粉、蛋白質、單寧和脂肪等成分含量不一樣，其含量與出酒率和酒的品質有著密切的關系[28]。根據對一些不同酒廠成品酒進行的調查，發現含淀粉含量高尤其是支鏈淀粉含量高，蛋白質、單寧含量適中，脂肪含量較少的高粱是較為適合釀白酒的原料[29]。宋高友等[30]的研究也發現高粱籽粒中各種成分的含量能夠很大程度上影響酒的品質和出酒率，出酒率尤其受淀粉和蛋白質含量的影響，淀粉含量高的，出酒率也相對較高，其次是蛋白質含量，它與出酒率也呈一定的正相關。在整個發酵過程中，‘晉粱白3號’的出酒率最高，其支鏈淀粉質量分數也最高，這個結果再次印證了這個結論。GB/T 13662—2008中規定，傳統型干黃酒的總糖質量濃度不大于15 g/L、乙醇體積分數不小于8.0%、總酸質量濃度在3.0～7.0 g/L之間，本實驗數據均符合國家標準。

2.6 3 種高粱黃酒發酵過程中的揮發性風味物質的種類及含量變化

3 種高粱在發酵過程中檢測到的揮發性風味物質的總離子流色譜圖如圖3所示。

圖3 3 種高粱黃酒發酵過程中的揮發性風味物質總離子流色譜圖Fig. 3 Total ion current chromatograms of volatile flavor substances in three sorghum Huangjiu

表4 3 種高粱發酵過程中揮發性風味物質的種類Table 4 Classes of volatile flavor substances in three sorghum Huangjiu

如表4所示，‘晉粱白3號’檢測到110 種風味物質，是3 種高粱中最多的。在所有的風味物質中，醇類和酯類是最主要的香味成分，占有很大的比例。

表5 3 種高粱發酵過程中揮發性風味物質質量濃度Table 5 Total contents of volatile flavor substances in three sorghum Huangjiu

如表5所示，‘晉雜22號’、‘晉粱白2號’和‘晉粱白3號’在發酵過程中檢測到的風味物質質量濃度分別是392.210、344.342、635.695 mg/L，其中，醇類和酯類是黃酒香氣的主要來源，質量濃度分別是199.475、188.200、246.047 mg/L。由此可得，‘晉粱白3號’不僅揮發性風味物質質量濃度最高，醇類和酯類物質的質量濃度也是最高的。除此以外，‘晉粱白3號’的酮類、醛類和吡嗪類風味物質的質量濃度也是3 種高粱中最高的。

‘晉雜22號’在發酵最后一天檢測到了47 種風味物質，其中，烷烴類物質10 種，醇類物質11 種，酯類物質12 種，酮類物質1 種，醛類物質1 種，酚類物質1 種，其他4 種。風味物質中，異丁醇、異戊醇、苯乙醇、己酸乙酯、油酸乙酯、十六酸乙酯、2-甲氧基-4-乙烯基苯酚的質量濃度相對較高，是‘晉雜22號’的主要香氣成分。

‘晉粱白2號’在發酵最后一天檢測到了43 種風味物質，其中，烷烴類物質10 種，醇類物質14 種，酯類物質19 種，酮類物質1 種，醛類物質1 種，酸類物質2 種，酚類物質1 種，其他2 種。風味物質中，異丁醇、異戊醇、苯乙醇、丙三醇、2,3-丁二醇、十六酸乙酯、9,12-十八碳二烯酸乙酯、5-己基二氫-2(3H)-呋喃酮、2-甲氧基-4-乙烯基苯酚的質量濃度相對較高，是‘晉粱白2號’香氣的主要來源。

‘晉粱白3號’在發酵最后一天共檢測到了42 種風味物質，其中，烷烴類物質12 種，醇類物質10 種，酯類物質16 種，酮類物質1 種，酚類物質1 種，其他2 種。風味物質中，苯乙醇、異戊醇、異丁醇、2,3-丁二醇、十六酸乙酯、9,12 -十八碳二烯酸乙酯、油酸乙酯、5-己基二氫-2(3H)-呋喃酮、2-甲氧基-4-乙烯基苯酚的質量濃度相對較高，是‘晉粱白3號’的主要風味物質。

醇類物質可以由糖代謝、氨基酸脫氫脫羧作用產生，是陳化酯類物質的前體物質[31]。3 種高粱發酵最后一天共檢測到了17 種醇類，其中3 種高粱共有的有6 種，分別是異丁醇、異戊醇、苯乙醇、2,3-丁二醇、3-甲硫基丙醇和丙二醇。醇類物質在3 種黃酒的風味物質中種類相近且質量濃度最高。苯乙醇在整個發酵周期是所有的香氣成分中含量最高的醇類物質，具有玫瑰香味，可由酵母細胞通過苯丙酮酸或艾氏途徑生成[32]。發酵最后一天時苯乙醇的質量濃度分別為‘晉雜22號’7.859 mg/L、‘晉粱白2號’15.768 mg/L、‘晉粱白3號’13.932 mg/L，可以看出‘晉粱白2號’和‘晉粱白3號’中的苯乙醇質量濃度較高。異戊醇質量濃度僅次于苯乙醇，具有青草、植物的香氣[33]，發酵最后一天‘晉粱白2號’中的異戊醇質量濃度最高。另外，異丁醇具有酒香、溶劑香[34]。2,3-丁二醇含有甜味并能改善酒體風味，3-甲硫基丙醇具有芬芳氣味[35]。

酯類化合物是黃酒中重要的呈香物質，其可以通過醇和脂肪酸的酯化或者在乙酰基轉移酶的作用下，以乙酰基輔酶A和醇作為底物在微生物細胞中合成[36]，并且大多數酯類物質具有花香或水果香[37]。3 種高粱黃酒發酵最后一天檢測到的酯類物質種類最多，其含量僅次于醇類物質。其中，己酸乙酯、辛酸乙酯、葵酸乙酯、十二酸乙酯、十四酸乙酯、十六酸乙酯、9,12-十八碳二烯酸乙酯和丁二酸乙酯為3 種黃酒共有，并且在發酵最后一天大多數酯類物質在‘晉粱白3號’中的質量濃度最高。酯類中含量最高的十六酸乙酯有微弱的蠟香和奶油香氣，丁二酸二乙酯有特殊的令人愉悅的葡萄香氣和隱約淡雅的酒香[38]。

醛酮類物質常常具有特殊的香氣，同時能使得酒體香氣趨于融合、協調[39]。但是這3 種黃酒的醛酮類物質種類很少并且質量濃度較低。烷烴類化合物的種類和質量濃度最多，但是氣味微弱，一般可忽略[40]。檢測到的酚類物質只有2-甲氧基-4-乙烯基苯酚一種，具有強烈香辛料、丁香和炒花生的味道[41]。

3 討 論

本研究采用掃描電子顯微鏡觀察高粱籽粒淀粉，結果表明，高粱籽粒內部的淀粉顆粒大小不均、形狀不規則，多數為橢圓形，少數為球形。不同類型高粱籽粒內部的粉質區域結構有緊密與疏松的區別，淀粉含量高的尤其是支鏈淀粉含量的高粱內部結構相較于淀粉含量低的高粱更加緊密，顆粒間的連接物質更多。其次，提取了3 種高粱淀粉，并檢測了淀粉的碘藍值、透明度、溶解度、膨脹度和糊化特性，結果顯示，‘晉粱白3號’的碘藍值較低、透明度較高、膨脹度較高、糊化溫度較低，說明支鏈淀粉含量不同，對淀粉理化指標產生了較大的影響。另外，本研究還檢測了‘晉雜22號’、‘晉粱白

2號’、‘晉粱白3號’發酵過程中的乙醇體積分數、總酸質量濃度、還原糖質量濃度和出酒率，這3 種原料的組成成分不同，對酒的品質有明顯影響，‘晉粱白3號’的支鏈淀粉含量最高，釀造過程中出酒率也保持最高。此外，還采用頂空固相微萃取和GC-MS聯用技術，檢測了3 種高粱發酵過程中揮發性風味物質的種類和質量濃度變化，這3 種黃酒分別檢測到揮發性風味物質102、109 種和110 種，總質量濃度分別為392.210、344.342、635.695 mg/L。3 種黃酒在香氣成分組成和含量上有一定的相似性，醇類物質和酯類物質都是主要的香氣成分，其中‘晉粱白3號’的風味物質總含量以及醇酯類物質含量最高。并且發酵最后一天‘晉粱白3號’的風味物質種類和含量都更豐富，可以證明淀粉含量對揮發性風味物質產生了積極的影響，促進了黃酒品質的提高，同時為黃酒原料的選擇提供了理論依據。