濃香型白酒糟醅中糠殼超微結構表征研究

陳仕江，趙 東，安明哲，鄭 佳，陳小文，張富勇，蘇 建

（四川宜賓五糧液股份有限公司技術研究中心，四川宜賓 644000）

我國是釀酒大國，每年白酒產量高達700 多萬千升，是世界上最大的生產及消費白酒大國[1]。濃香型白酒作為市場最受歡迎的香型，占據全國市場份額的70%以上[2]。目前，對濃香型白酒的研究主要集中在微生物代謝、風味化學、食品安全等方向，針對白酒釀造糟醅的研究也均注重于理化指標分析[3]，現有的文獻報道鮮有關于糟醅結構尤其針對糟醅微觀結構的研究。

糠殼作為濃香型白酒生產的主要輔料[4]，與糧粉以一定比例混合發酵后形成糟醅[5]。糧粉經蒸煮糊化和糖化發酵后呈黏糊狀、在電鏡觀測下不具有明顯的物理結構，因此，糟醅的物理結構主要是由糠殼構成，故糠殼的研究對于了解糟醅物理結構具有重要的意義。糠殼主要由纖維素，半纖維素，木質素[6]和SiO2等成分組成[7-8]，這些成分的耐酸堿性較強，不易被真菌、細菌等微生物降解，能持續地提供良好的發酵環境[9]。糠殼的應用非常廣泛[10-13]，一方面可以在糠殼灰中提取Si 的成分用于制作單晶硅[14]，降低制作硅晶片的成本；另一方面也能利用糠殼制作生物碳[15-16]，用于農作物的生長。還有不少研究人員探究糠殼孔洞結構吸附能力強弱問題[17-19]，在釀酒中用于雜質吸附。高品質的糟醅是優質白酒的基礎，對于釀酒糟醅中糠殼的研究也是不勝枚舉[20-21]：楊貝貝等[22]從全面分析釀酒用稻殼的物理特性、篩選最適釀酒用稻殼的新品種、創新釀酒用稻殼的預處理方式等三個方面開展深入研究，大致介紹了稻殼的基本特性、稻殼與釀酒的關系、釀酒用稻殼的回收再利用等研究現狀；謝正敏、葉華夏等[23]對釀酒糠殼中糠味物質進行研究并對蒸煮糠殼時所釋放的氣味成分進行了分析，取得了階段性的成果；唐賢華、張崇軍等[24-26]通過窖外模擬發酵試驗研究了不同比例糠殼對濃香型白酒發酵糟醅質構特性的影響，闡述了糠殼質量對糟醅發酵的重要性。以上研究都是針對發酵過程糟醅的理化性質變化趨勢以及理化參數的調控方面進行探究，對糟醅自身的內部結構的研究較少，特別是對于糠殼在發酵過程中結構的變化情況。

為解決釀酒過程中這一客觀問題，本研究運用顯微成像技術，以糟醅為研究對象，追蹤糠殼在發酵過程中內部結構的變化，理清糟醅中糠殼在釀造過程中的作用，為推進完善白酒釀造理論的建立起到了積極作用。

1 材料與方法

1.1 材料、儀器

釀酒用糠殼，生產車間出窖糟醅，四川省宜賓五糧液股份有限公司。

儀器設備：普通燒杯、培養皿、磁力攪拌器、精密電子秤、SD-900 離子濺射儀，北京博遠微納科技有限公司；FLEX 1000 掃描電子顯微鏡，上海日立有限責任公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 糟醅分離

在釀酒車間里隨機選中一口窖池，取出發酵后糟醅若干，以15 g 糟醅為一組，分為3 組進行實驗。取15 g 糟醅放入燒杯中，往糟醅中放入足量的蒸餾水，磁力攪拌器上攪拌處理2 h，倒掉污水，留下糠殼；以此方法處理相同樣品若干次，直至燒杯中只剩下糠殼，并進行超聲振蕩清洗，實現糠殼與糧粉分離。

1.2.2 糠殼分類

將分離后的糠殼進行烘干處理，考慮到高溫可能會對糠殼結構產生影響，故此次實驗采取自然烘干的方式進行。曬干處理后放入培養皿中，根據肉眼觀察，按不同的外觀顏色將其分為三類：淺色糠殼，深色糠殼和深褐色糠殼。

1.2.3 掃描電鏡觀察

將分好類的糠殼樣品分別進行掃描電鏡觀察。掃描電鏡觀察分為表面觀察和橫斷面觀察。對所有樣品在觀察前進行噴金處理。

1.2.4 吸水率測試

將自然烘干的三類糠殼分別取出0.2 g 放入燒杯中，燒杯中加入120 mL 蒸餾水，攪拌并靜置1 h。隨后將糠殼取出，用無塵布將糠殼表面水漬擦凈，利用精密電子秤進行稱量處理并計算糠殼吸水率。

吸水率=(吸水后重量—吸水前重量)/吸水前重量×100%

2 結果與分析

2.1 外觀分析

將自然烘干的糠殼進行顏色分類，如圖1 所示。圖1 中（a）所示為淺黃色糠殼，其外觀顏色與新鮮糠殼無異，在出窖糟中含量占比15%左右；圖1（b）所示為深黃色，含量占比80%左右，宏觀外貌特征與（a）無差異；圖1（c）所示為深褐色，含量占比5 %左右。從圖1 可以看出，糠殼在發酵過程中外部顏色發生了由淺到深的變化，隨著發酵次數的增多，顏色逐漸變深，最后呈現圖1 中（c）的深褐色。為探究其原因，將新鮮糠殼分別泡在蒸餾水和酸度為4.4 的水溶液中60 d，自然烘干后如圖2 中（a）和（b）所示。從圖中可以看出兩組實驗中的糠殼在外觀形貌和顏色上并沒有太大的差異，說明造成糠殼表面顏色變深的原因可能并不是弱酸性環境，而是由于各種菌體分泌的有機酸和其他分泌物質導致其顏色加深。在圖1（b）中值得注意的是深黃色的稻殼分為了兩類：一類是內深外深，一類是內淺外深。圖1（a）屬于內淺外淺。從不同顏色的含量分布可以看出，糠殼在發酵過程中經歷了三個階段：第一階段，新鮮糠殼隨著發酵過程的進行，在霉菌、酵母菌和細菌等各種菌落與環境的共同作用下由內淺外淺變為了內淺外深，這是由于發酵前期，大量的菌落和糧粉會優先附著在糠殼外部，從而優先對糠殼外部產生作用所導致；第二階段，隨著發酵次數的增多，越來越多的菌落進入到糠殼內部導致糠殼變為內深外深；第三階段，經歷過多次發酵的糠殼內部外部都附著大量的糧粉和菌落以及分泌物，大量物質疊加的情況下，顏色由內深外深變為深褐色。

圖1 出窖糟中不同顏色糠殼對比圖

圖2 糠殼浸泡60 d對比圖

糠殼的吸水率是糠殼的重要物理指標，在發酵過程中有著重要的作用。糠殼吸收的水分會為菌落的生長提供條件。糊化、糖化、發酵等釀造過程及霉菌、酵母菌等菌種的活動都離不開水。所以，研究不同顏色類別的糠殼吸水率尤為重要。

將3 類糠殼分別取0.2 g 放入蒸餾水中進行吸水率測試。測試結果如表1所示。

表1 不同顏色糠殼吸水率對比

由表1 可看出，淺色糠殼的吸水率高達110%，深色糠殼次之，深褐色糠殼最低。實驗結果表明，在數量相同的情況下，淺色糠殼能吸收更多的水分，能為菌落的繁殖和糟醅發酵提供更有利的條件。深褐色的糠殼吸水性差，這也是每輪發酵過后都需要加入新鮮糠殼的原因之一。

2.2 SEM形貌分析

2.2.1 糠殼表面分析

將3 類自然烘干的糠殼分別進行SEM 電鏡觀察，圖3 所示為不同顏色糠殼的內側面SEM 圖。（a）所示為淺色糠殼內側面電鏡圖，可以較為清晰的看到糠殼的微管單元均勻分布在內側，表面比較平整且有一定規律；當經過了一定時間的發酵，如（b）所示，微管單元較為模糊，表面凹凸不平，有明顯破損痕跡；當經過更長的發酵時間，如（c）所示，破損程度加劇，微管單元幾乎消失。從圖3 可以看出，隨著發酵時間的延長，糠殼內側破損程度增加，這是因為發酵周期越長，附著在上面的微生物越多，會分解糠殼內側的角質層，導致糠殼破損，使其內側的微孔暴露在外面。圖4 所示為不同顏色糠殼的背面SEM 圖，（a）所示為顏色較淺的糠殼背面SEM圖，其背面有許多倒刺均勻分布，呈現凹凸不平的溝壑狀結構。觀察糠殼的側面和背面可知，側面較為光滑，只有背面粗糙的溝壑結構能被糧粉附著并在其上進行發酵，這也是糠殼背部優先變深的原因之一。

圖3 出窖糠殼表面SEM圖

圖4 出窖糠殼背面對比圖

2.2.2 糠殼橫截面分析

為了能深入掌握糠殼內部結構的變化，將三類自然烘干的糠殼分別進行SEM 電鏡橫斷面觀察。結果如圖5 所示。（a）圖表示淺色糠殼的橫斷面電鏡圖，圖中微孔結構明顯，孔徑大小無規則，最大孔徑為10 μm 左右。圖片上方是糠殼內側面，從橫截面的視角可以看到在糠殼與微孔之間有一層大約2 μm 的角質層，正是在角質層與二氧化硅的雙面保護下糠殼的微孔結構不易被破壞。糠殼內部分布大量微孔，可為發酵過程提供大量的氧氣，也可在取酒過程中為熱蒸汽提供足夠多的通道，讓酒精更容易揮發。（b）圖所示為深色糠殼的電鏡橫斷面圖，與（a）圖相比，可以明顯地看出糠殼內部的微孔結構減少，微孔中充滿了許多填充物。這樣的結果是由多種因素共同作用導致：一方面是因為在發酵過程中有許多真菌和細菌進入微孔進行繁殖活動，產生的菌絲堵住了微孔；另一方面是因為隨著發酵的進行，組成微孔的主要成分纖維素、半纖維素等在被軟化的同時被緩慢分解。從（c）圖中可以看出糠殼內部結構腐蝕比較嚴重，破壞較大，出現許多巨大的孔洞，纖維素、半纖維素等軟化更加明顯。從糠殼3 種不同顏色深度的橫斷面SEM 圖可以大致看出其吸水率不同的原因：淺色糠殼吸水率較大可能是因為其內部有完整的微孔結構，將糠殼放入水中后，微孔的結構就像蓄水池，能將水分存儲在內部不容易流失，在宏觀看來其吸水能力更強；深色糠殼的吸水能力弱可能是因為其內部完整的微孔結構遭到了破壞，當浸入水中后并不能將水分進行儲蓄。

圖5 出窖糠殼橫截面對比圖

3 結論

在釀造白酒中對于糠殼自身質量的判定有一定進展[27-28]，但在自身結構變化上的研究還有所缺失。本實驗將出窖糟醅中的糠殼與殘留糧粉進行分離，以不同外觀顏色將糠殼大致分為3 類，分別對3 類糠殼進行吸水率測試和掃描電鏡觀測。試驗結論顯示，出窖糟中，淺色糠殼含量占比15%左右，深色糠殼含量占比80%左右，深褐色糠殼含量占比5 %左右，在發酵過程中深色糠殼占據主導。通過對不同顏色糠殼進行吸水率測試，發現糠殼隨著顏色的變深，吸水率逐漸下降。淺色糠殼的吸水率可到110 %左右，深色糠殼吸水率40 %，深褐色糠殼吸水率僅為20%。在電鏡觀察實驗中，3 種不同顏色的糠殼表面特征主要表現為附著物含量不同以及單元結構破損程度不同，淺色糠殼內側表面比較平整且有一定規律；深色糠殼微管單元較為模糊，表面凹凸不平，有明顯破損痕跡；深褐色糠殼內表面破損程度加劇，微管單元幾乎消失。由糠殼表面SEM 電鏡觀察可知，在宏觀狀態下沒有什么變化，但在微觀結構中破損逐漸加劇。通過糠殼橫截面SEM 電鏡觀察可知，淺色糠殼微孔結構明顯，孔徑大小無規則，在發酵過程中能提供大量氧氣，也可作為“蓄水池”，為真菌、細菌等大量微生物的繁殖提供水分；深色糠殼內部的微孔結構減少，微孔中充滿了許多由真菌與細菌等微生物大量繁殖所帶來的填充物，導致其吸水能力下降，影響微生物繁殖。故在實際釀酒過程中，每經過一輪次發酵都會往母糟中加入一定量新鮮糠殼，這樣的方法在微觀形貌表征下得以解釋。本次試驗在一定程度上開創了一種新的研究思路，打破在研究釀酒糟醅時傳統思維中酸度、水分、淀粉含量等為主要因素的定勢想法。但目前的工作仍然還存在許多不足之處：探究技術方法有限，只能反映大致情況。接下來的工作應重點關注不同顏色糠殼在糟醅中構成比例規律以及自身結構變化，比如糠殼自身的真密度變化、氣孔大小變化和比表面積變化等，找出并總結變化規律，探究糠殼在發酵過程中自身物理結構的演變過程，對完成濃香型白酒動態釀酒理論意義重大。