正交試驗優(yōu)化啤酒糖化工藝

米智，武曉紅，劉荔貞*

1. 山西大同大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院（大同 037009）；2. 山西大同大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院（大同 037009）

啤酒被認為是人類最古老的酒精飲料之一，是繼水和茶之后世界上消耗量排名第三的飲料。啤酒是以大麥芽、酒花、水為主要原料，經(jīng)酵母發(fā)酵作用釀制而成的飽含二氧化碳的低酒精度飲料，被稱為“液體面包”[1]。啤酒作為一種低酒精度的麥芽飲品，因其具有良好的風味、豐富營養(yǎng)及良好的口感而頗受消費者喜愛[2]。2019年上半年我國啤酒產(chǎn)量達1 948.8萬 kL，累計增長0.8%。

在現(xiàn)代啤酒工業(yè)中，為了降低生產(chǎn)成本、提高設(shè)備利用率、調(diào)節(jié)麥汁中糖和非糖的比例、降低啤酒色度、提高啤酒的發(fā)酵度、改進啤酒的泡沫性能、改良口感、風味等，在實際生產(chǎn)中通常會添加一定比例的輔料來代替部分麥芽[3-5]。英國食品標準協(xié)會將啤酒釀造輔料定義為“除發(fā)芽大麥外任何能產(chǎn)生麥汁糖的碳水化合物來源”，該標準中啤酒輔料范圍較廣，常見的谷物如大米、玉米、小麥、高粱，以及谷物淀粉（通常為玉米淀粉）或者淀粉糖漿，都可以作為部分麥芽的替代物。亞洲地區(qū)如我國常用大米作為輔料釀造啤酒[6-7]。

大米富含營養(yǎng)物質(zhì)，淀粉含量高（75%～82%），無水浸出率高（90%～93%），脂肪含量較麥芽低，含有較豐富的泡沫蛋白質(zhì)，基本不含多酚類物質(zhì)[8]。添加大米的啤酒，口味清爽、泡沫細膩、酒花香味突出、非生物穩(wěn)定性好、并且可明顯改善啤酒的口感質(zhì)量，清新淡爽的口感更能滿足大眾消費者的需求[9-10]。若大米用量過大時，會造成麥汁α-氨基氮含量過低，影響酵母的繁殖和發(fā)酵。國內(nèi)一般添加量為20%～40%[11-12]。

啤酒糖化主要指麥芽和輔料中高分子貯藏物質(zhì)及其分解產(chǎn)物，通過麥芽中各種水解酶類作用，以及水和熱力作用，使之分解并溶解于水[2]。試驗用大米代替部分大麥芽，分別探討了糖化過程中52和65 ℃下保溫時間、物料比和料液比4個因素對啤酒麥汁浸出物收得率的影響，通過正交試驗優(yōu)化啤酒麥汁糖化工藝，結(jié)合方差分析等方法尋找影響該工藝的主要因素，旨在改良糖化工藝，提高麥汁收得率。為以麥芽大米為主要原料的啤酒糖化工藝提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

啤酒大麥芽，山東豪魯啤酒設(shè)備有限公司；青島大花、卡斯卡特啤酒花，濟南貝凱斯發(fā)酵設(shè)備有限公司；大米，五豐東北優(yōu)選珍珠米；麥芽糖、葡萄糖、無水乙醇，等均為國產(chǎn)分析純試劑。

1.2 儀器與設(shè)備

100 L啤酒生產(chǎn)線（山東豪魯啤酒設(shè)備有限公司）；HH-6數(shù)顯恒溫水浴鍋（國華常州儀器制造有限公司）；LXJ-ⅡB離心機（上海析域儀器設(shè)備有限公司）；PHS-3C+酸度計（上海坤誠科學(xué)儀器有限公司）；BSA124S賽多利斯精密電子天平（北京楚齊儀表有限責任公司）；752型紫外/可見分光光度計（北京普析T6新世紀）；800A多功能粉高速中藥粉粹機（上海利聞科學(xué)儀器有限公司）；等。

1.3 方法

1.3.1 麥汁糖化工藝流程及操作要點

大麥芽、大米→粉碎→糖化→過濾→煮沸→添加酒花→冷卻→過濾→麥芽汁[2,13]

其中糖化步驟：采用低溫（37 ℃）投料浸出糖化法，適當修改[14]，即36±1 ℃保溫30 min，此過程可有效浸出、活化麥芽中的糖化酶類，有助于酸的形成，原料中有機磷酸鹽類開始分解，有利于β-葡聚糖的分解[15]。52±1 ℃糖化保溫30～50 min使蛋白質(zhì)逐漸分解，低分子含氮物質(zhì)的含量逐漸上升[16-17]；64±1℃糖化保溫60 min，此過程中在β-淀粉酶的作用下，麥芽糖的含量持續(xù)增加，可發(fā)酵糖含量升高，非糖比例相對較低，若將溫度控制在65 ℃，可以得到最高的可發(fā)酵浸出物收得率[18-19]。70 ℃保溫25 min使糖化休止，由碘試至麥芽汁不呈色時，再升溫至75 ℃保溫15 min，糖化結(jié)束。

1.3.2 麥芽汁糖化工藝優(yōu)化單因素試驗

以麥汁浸出物收得率為評價指標，對大米添加量（30.0%，32.5%，35.0%，37.5%和40.0%）、水料比（2.5∶1，3.0∶1，3.5∶1，4.0∶1和4.5∶1 mL/g）、52 ℃糖化時間（30，35，40，45和50 min）和65 ℃糖化時間（40，50，60，70和80 min）4個因素進行單因素試驗，考察各因素對麥汁浸出物收得率影響。

1.3.3 麥汁糖化工藝優(yōu)化的正交試驗

參考1.3.2單因素試驗結(jié)果，在大米添加量、水料比、52 ℃糖化時間和65 ℃糖化時間4個單因素中，分別選出3個對麥汁浸出物收得率影響最大的水平，做L9(34)正交試驗。

1.3.4 麥汁糖化工藝的驗證性試驗

為了更好地證實正交試驗對麥汁糖化工藝優(yōu)化的可靠性和合理性，在正交試驗優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上，進行了3次平行試驗，分別計算出該條件下的麥汁浸出物收得率。

1.3.5 麥汁中麥芽糖相對含量測定

麥汁浸出物得率測定利用比重瓶可測得麥汁的相對密度，查密度對應(yīng)濃度的表可得麥汁的濃度，計算得到麥汁浸出物收得率[20-21]。

2 結(jié)果與分析

2.1 啤酒麥汁糖化工藝的單因素試驗結(jié)果

2.1.1 大米添加量對麥汁浸出物收得率的影響

由圖1可知，大米添加量在30%～40%范圍內(nèi)時，麥汁浸出物收得率隨著大米添加量的增加呈先上升后下降的趨勢，并在大米添加量為32.5%時麥汁浸出物收得率出現(xiàn)最大值，為78.6%。當大米添加量為35.0%時，麥汁浸出物收得率也高達78.5%，與大米添加量為32.5%時幾乎相當。大米中含有豐富的淀粉，浸出率較高，但當大米量過多時，會增加醪液黏度，導(dǎo)致麥糟層不易形成，過濾不徹底，影響麥汁浸出物和可發(fā)酵性物質(zhì)的收得率。因此在做正交試驗時，選取大米添加量分別為30.0%，32.5%和35.0%作為3個水平。

2.1.2 水料比對麥汁浸出物收得率的影響

由圖2可知，當水料比在2.5∶1～4.5∶1（mL/g）范圍內(nèi)時，麥汁浸出物收得率呈先急劇上升后緩慢下降的趨勢，當水料比為3.5∶1（mL/g）時麥汁浸出物收得率出現(xiàn)最大值，為78.4%。當水料比小于3.5∶1（mL/g）時，糖化過程中的各種糖化酶可能因水分不足使得酶活力較低，當隨著水料比的增大，糖化酶活性逐漸增強，進而使得麥汁浸出物收得率逐漸提高。但是水料比過大時，洗麥糟水用量將減少，麥糟中的浸出物不能充分溶于水，進入醪液中，造成浸出物有所損失，故麥汁收得率降低。因此在做正交試驗時，選取水料比分別為3.0∶1，3.5∶1和4∶1（mL/g）作為3個水平。

2.1.3 52 ℃糖化時間對麥汁浸出物收得率的影響

由圖3可知，52 ℃糖化時間在30～45 min范圍內(nèi)，麥汁浸出物收得率呈現(xiàn)增長的趨勢，并且在糖化45min時，麥汁收得率出現(xiàn)最大值，為78.8%。時間再延長至50 min時，麥汁收得率略有下降，但基本與糖化45 min時的收得率相當。當52 ℃糖化時間較短時，糖化不充分、不完全，故呈現(xiàn)出在52 ℃糖化時，隨著時間的延長，糖化酶的催化，麥汁浸出物收得率逐漸提高。若時間足夠充足，即糖化時間超過45 min后，糖化基本完全，故麥汁收得率基本保持不變，甚至?xí)p失部分浸出物，綜合經(jīng)濟成本和試驗效率等方面考慮，52 ℃糖化最適時間為45 min。因此在做正交試驗時，52 ℃糖化時間分別為40，45和50 min作為3個水平。

圖1 大米添加量對麥汁浸出物收得率的影響

圖2 水料比對麥汁浸出物收得率的影響

2.1.4 65 ℃糖化時間對麥汁浸出物收得率的影響

由圖4可知，65 ℃糖化時間在40～70 min范圍內(nèi)，麥汁浸出物收得率呈現(xiàn)增長趨勢，而且在70 min時麥汁收得率出現(xiàn)最大值，為78.6%。當65 ℃糖化時間為60和80 min時，麥汁收得率分別為78.4%和78.5%，基本與糖化70 min時的收得率相當。當65 ℃糖化時間較短時，糖化不充分、不完全，故會出現(xiàn)隨著糖化時間的延長，麥芽醪中的可浸出物、可發(fā)酵性物質(zhì)不斷溶出的現(xiàn)象，所以麥汁收得率會隨著糖化時間的延長而提高，當糖化時間在60或70 min后，糖化基本完全、充分，故麥汁收得率基本保持不變，但為了更好地將原料充分利用，65 ℃糖化保溫最適時間為70 min。因此在做正交試驗時，65 ℃糖化時間分別為60，70和80 min作為3個水平。

圖3 52 ℃糖化時間對麥汁浸出物收得率的影響

圖4 65 ℃糖化時間對麥汁浸出物收得率的影響

2.2 啤酒麥汁糖化工藝的正交試驗結(jié)果

正交試驗設(shè)計見表1。

表1 L9(34)正交試驗因素水平表

根據(jù)表2的分析表明，最佳的提取工藝條件為A2B2C3D1，由極差值R的大小可知各因素對試驗方法的影響次序為B（水料比）＞A（大米添加量）＞C（52 ℃糖化時間）＞D（65 ℃糖化時間）。

由表3的結(jié)果可得，啤酒糖化工藝中，選取的4個因素大米添加量、水料比、52 ℃糖化時間和65 ℃糖化時間對麥汁收得率影響均不顯著（F＜F0.05）。

2.3 優(yōu)化條件的驗證性試驗

根據(jù)正交試驗篩選出啤酒糖化的最佳工藝進行3組平行試驗，驗證正交試驗結(jié)果的可靠性和準確性。測得麥汁收得率見表4。如表4所示，3組平行樣數(shù)據(jù)δRSD為0.32%，滿足要求，得出該糖化工藝麥汁收得率較為穩(wěn)定。

表2 啤酒麥汁糖化工藝正交試驗結(jié)果與分析

表3 正交試驗方差分析表

表4 驗證性試驗測定麥汁收得率

3 結(jié)論

研究主要對以大麥芽和大米為原料的啤酒糖化工藝進行優(yōu)化，首先通過單因素試驗探究了大米添加量、水料比、52 ℃糖化時間和65 ℃糖化時間對麥汁浸出物收得率的影響，選擇較為合適的條件范圍。在單因素試驗的結(jié)果上，設(shè)計正交試驗，以麥汁收得率為評價指標，優(yōu)化啤酒糖化工藝為大米添加量為32.5%、水料比為3.5∶1（mL/g）、52 ℃糖化時間50min和65 ℃糖化時間60 min。影響程度為水料比＞大米添加量＞52 ℃糖化時間＞65 ℃糖化時間。通過方差分析發(fā)現(xiàn)4個因素對麥芽汁收得率影響均不顯著。通過驗證性試驗可知，該工藝麥汁浸出物收得率較高，78.5%，相對標準偏差較小（0.32%），試驗穩(wěn)定可靠。為今后研究啤酒添加大米輔料糖化工藝提供了試驗依據(jù)。