“粮乃酒之肉”,原料是白酒酿造的物质基础,决定了白酒的风味和口感[1]。白酒酿造的本质是微生物将原料中的淀粉、蛋白质、脂质等有机营养物质成分进行分解和转化,形成乙醇和丰富的呈香呈味物质的过程[2]。不同原料酿造白酒过程中的发酵产物不同,最终酿造出的白酒风味物质不同。因此有“高粱酒香,玉米酒甜,大米酒净,小麦酒糙,糯米酒绵”的说法[3]。
姚万春等[4]通过对比不同品种大麦与高粱的酿酒性能发现大麦酿造小曲清香型白酒效果较好。赵冠[5]研究高粱蒸煮品质及发酵特性,发现糯高粱更适合酱香型和浓香型白酒的酿造。王建成等[6]对比研究不同高粱理化性质及其酿造特性,发现东北高粱较澳洲高粱更适合二粮型浓香型白酒酿造。肖银等[7]研究不同高粱酿造浓香型白酒的过程,发现安徽本地糯高粱较山西粳高粱和东北粳高粱更适合酿造浓香型白酒。李宝生等[8]通过研究高粱酿酒性能与清香型白酒品质的相关性,确定了最适合酿造单粮清香型白酒的高粱。这些研究为白酒企业选择合适的酿造原料提供了参考意义,但研究的原料品种和白酒香型较为局限。
原料中淀粉在酿造过程中可被利用的量与白酒品质即原料淀粉利用率与白酒品质有着密切关系。本研究通过统计学的分析方法对白酒行业常用酿酒原料高粱(10种)、大米(7种)、糯米(2种)、小麦(3种)、玉米(5种)种内和种间的品质、酿酒性能进行差异性分析并对原料品质和酿酒性能进行相关性分析,揭示了原料间的差异和原料品质对酿酒性能的影响。研究结果对白酒行业在原料品控和品种优选等方面提供了参考。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
酿酒原料共27种,其中高粱10种(粳高粱7种、糯高粱3种);小麦3种;大米7种(粳米3种、籼米4种);糯米2种;玉米5种,四川绵竹剑南春酒厂有限公司。
试剂:α-淀粉酶(酶活力≥3 700 U/g)、糖化酶(酶活力>100 000 U/g)、无水乙醇、盐酸(1+1)、NaOH、CuSO4、酒石酸钾钠、亚铁氰化钾、醋酸钠、浓缩的ConA溶剂等,均为分析纯,天津市福晨化学试剂厂。
HH-S6A电热恒温水浴锅,北京利伟永兴仪器有限公司;DMA 35手持式酒精计,安东帕上海商贸有限公司;烘箱,上海恒科技有限公司;分析天平,赛多利斯科学仪器有限公司;全自动凯氏定氮仪、消化炉,济南童鑫生物科技有限公司。
1.2 实验方法
1.2.1 原料品质测定方法
原料水分测定参照GB/T 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》;容重测定参考GB/T 5498—2013《粮油检验 容重测定》;千粒重的测定参考GB/T 5519—2018《谷物与豆类 千粒重的测定》;蛋白质的测定方法参照GB 5009.5—2025《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》;脂肪的测定方法参照 GB 5009.6—2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》;总淀粉、直链与支链淀粉的测定方法参照GB 5009.9—2023《食品安全国家标准 食品中淀粉的测定》;单宁的测定方法参照GB/T 15686—2008《高粱 单宁含量的测定》。
1.2.2 原料淀粉利用率和发酵性能测定方法
1.2.2.1 原料淀粉利用率
原料淀粉利用率是指在60 ℃条件下,混合酶液1 h转化1 g原料中淀粉生成的葡萄糖的质量(mg),单位为mg/(g·h)。其测定方法主要参考GB 5009.9—2023《食品安全国家标准 食品中淀粉的测定》和QB/T 4257—2011《酿酒大曲通用分析方法》。称取2 g原料在100 mL蒸馏水中煮沸15 min使淀粉糊化,待原料糊化液冷却后定容至500 mL,于60 ℃水浴锅中保温5 min;向糊化液中加入α-淀粉酶和糖化酶混合酶液5 mL,此混合样液于60 ℃水浴锅中保温。测定糖化性能:A组:加入酶液后立即取2 mL混合样液加入到斐林试剂中,用葡萄糖标准溶液滴定,记录其消耗的葡萄糖溶液的体积V1;B组:待混合液保温1 h后取2 mL加入到斐林试剂中进行滴定,操作同A组,记录消耗的葡萄糖溶液的体积V2。按公式(1)计算:
(1)
式中:V1,滴定空白组时消耗葡萄糖标准溶液体积,mL;V2,滴定实验组时消耗葡萄糖标准溶液的体积,mL;1,每毫升葡萄糖标准溶液中含有葡萄糖的质量,mg;505,糖化混合液(原料液+混合酶液)总体积,mL;m,原料质量,g;2,滴定时吸取的糖化混合液体积,mL。
1.2.2.2 原料发酵性能测定
原料品质与白酒品质息息相关[9],而酒精度、总酸、总酯是白酒的基本理化指标,能直观反映白酒品质[10]的发酵性能。
根据白酒酿造原理,结合实验室现有条件,采用500 mL三角瓶在30 ℃恒温箱中进行发酵,经过10 d发酵后对过滤得到发酵液进行蒸馏,取前100 mL馏出液测定酒精度、总酸和总酯,用作衡量不同原料发酵性能的指标。酒精度的测定采用手持酒精计直接测定,总酸、总酯的测定方法依据GB/T 10345—2022《白酒分析方法》。液态发酵具体流程如下:
粉粮→润粮→蒸粮→摊凉→保温糖化→装瓶发酵→蒸馏取酒
操作要点:
粉碎:称取粉碎好的粮食100 g,高粱要求粉碎至4～8瓣,小麦、大米和玉米需粉碎至相同程度;
润粮:加入原料量60% 90 ℃以上的热水,翻拌均匀,盖上四层纱布润粮20～24 h;
蒸粮:采用清蒸方式,在锅篦上铺上纱布后均匀上料,上汽后蒸煮约80 min;
摊凉:蒸粮完成后趁热出甑并加入30%的冷水,使粮食颗粒分散,进一步吸水,随后翻拌,晾楂;
糖化:加入4%的米根霉曲用于糖化,于30 ℃左右恒温培养箱保温糖化48 h。
发酵:用20倍质量分数2%葡萄糖溶液35 ℃活化酿酒活性干酵母30 min,酿酒酵母添加量为1%(体积分数),密封后于30 ℃发酵10 d。
蒸馏取酒:发酵结束后过滤取250 mL发酵滤液,蒸馏,取100 mL酒样用于后续分析。
1.3 数据处理
采用Excel 2010对数据进行处理;采用SPSS 22.0对数据进行差异分析(每组数据3次平行);采用origin 2021进行图形绘制。
2 结果与分析
2.1 原料品质分析
酿酒原料水分含量一般要求低于14%,以防止原料在储存过程发生霉变影响后期使用[6],所有原料的水分含量均低于14%(图1-a)。容重高的酿酒原料比较优质,同一品种原料千粒重越高越好[11]。大米和糯米的容重最大,约为930 g/L,玉米的容重最小,约为710 g/L(图1-f)。高粱和大米的种内容重差异较大,小麦和玉米的种类差异较小。所有原料中玉米的千粒重最大,为363 g;其他原料的千粒重均较小,约为12～50 g,这与其颗粒大小有关(图1-e)。原料中过多的蛋白质会使酿酒原料染菌、酒醅酸度升高,干扰糖化和乳酸菌发酵,导致酒味不纯正且带有刺鼻气味,同时也不利于原料的蒸煮糊化。这不仅会影响酒的质量,而且会对人类身体健康造成危害。因此,酿酒原料中蛋白质的含量应控制在8%～10%[12]。高粱和玉米蛋白质含量在正常范围内,但小麦和大米蛋白质含量均较高,在11%～16%范围内(图1-b),原料蛋白质含量顺序为小麦>大米>糯米>高粱>玉米,最大相差8.66%,约2倍。白酒酿造的核心是将原料中的淀粉转化为酒精,因此原料淀粉含量的多少一定程度上决定酿酒质量的好坏。27种原料的淀粉含量为59%～79%,其含量大小关系为糯米≥粳米≥籼米>小麦≥玉米>高粱,其中安徽糯米的淀粉含量最高,为78.72%,山西粳高粱C的淀粉含量最低,为59.53%(图1-c),二者相差19.19%。在蒸粮过程中支链淀粉更易蒸煮糊化,直链淀粉更易老化,不易产酒,因此酿酒原料一般选用支链淀粉含量高的。所有原料中糯米的支链淀粉含量最高,为98.48%;其次是糯高粱,为96.66%;其他原料支链淀粉含量均较低,为71.93%～90.88%(图1-d),具体含量大小关系为糯米≥糯高粱≥大米、玉米≥粳高粱≥小麦,这与宋迎辉等[13]研究结果一致。高粱中单宁含量对酿造不同香型白酒有重要作用[14],10种高粱单宁含量在0.9%～1.5%之间,其中四川糯高粱B的单宁含量最高,为1.46%。
a-水分;b-蛋白质;c-总淀粉;d-支链淀粉;e-千粒重;f-容重
图1 原料品质箱线图
Fig.1 Raw material quality box plot
注:不同小写字母表示存在显著性差异(P<0.05)(下同)。
酿酒原料品质与白酒中风味物质形成和含量息息相关,如原料水分含量会影响清香型白酒中乙酸乙酯的生成[15]。同种原料间水分含量均无显著差异,粳米水分含量显著高于糯高粱、小麦和玉米。白酒酿造的核心就是利用原料中的淀粉产生酒精,因此原料淀粉含量的多少直接影响出酒率的高低。小麦的蛋白质含量最高,其次是大米,玉米最低。支链淀粉多的酿酒原料比支链淀粉少的酿酒原料更易糊化,因此酱香型白酒一般选用支链淀粉含量较高的糯高粱作为酿造原料。糯米原料中的支链淀粉被水解后并不会完全转变成葡萄糖[16],但用糯米酿造米酒时支链淀粉含量越高酿造出的米酒感官品质越好[17]。玉米的千粒重显著高于其他原料,大米的容重最高。
2.2 原料酿造性能分析
2.2.1 原料淀粉利用率
由图2-a可知,同种原料种内淀粉利用率存在差异。山西粳高粱C淀粉利用率最高,296.7 mg/(g·h);内蒙粳高粱淀粉利用率最低,208.3 mg/(g·h),两者相差达88.38 mg/(g·h)。3种小麦中安徽小麦的淀粉利用率最高,为282.0 mg/(g·h),江苏小麦的淀粉利用率最低,为178.9 mg/(g·h)。大米中淀粉利用率最高的是7233粳米,为338.8 mg/(g·h);最低的是四川籼米,为277.8 mg/(g·h);粳米的淀粉利用率显著高于籼米。2种糯米中江苏糯米的淀粉利用率显著高于安徽糯米,二者淀粉利用率相差174.0 mg/(g·h)。玉米种内淀粉利用率差异较大,山东玉米淀粉利用率显著高于其他玉米,为309.31 mg/(g·h),与最低淀粉利用率的新疆玉米A相差168.3 mg/(g·h)。由图2-b可知,各原料间的淀粉利用率关系为:粳米≥籼米≥糯高粱≥粳高粱≥玉米≥小麦≥糯米。箱线图的箱子越集中说明原料种内淀粉利用率差异小,可见粳米和糯高粱的原料淀粉利用率较其他原料种内差异小,糯米淀粉利用率的种内差异最大。
a-不同原料淀粉利用率柱状图;b-不同品种原料淀粉利用率箱线图;c-原料淀粉利用率与淀粉含量关系柱状图
图2 不同原料淀粉利用率比较分析
Fig.2 Comparative analysis of starch utilization rate of different raw materials
注:图中*表示差异显著(P<0.05),**表示差异极显著(P<0.01)(下同)。
一般情况下,原料淀粉含量与淀粉利用率显著正相关(P<0.05)。通过分析不同原料淀粉利用率与淀粉含量关系,结果如图2-c所示,高粱、小麦和玉米中淀粉利用率与淀粉含量之间无显著关系,大米中淀粉利用率与淀粉含量呈显著正相关(P<0.05),糯米中淀粉利用率与总淀粉和直链淀粉均呈极显著负相关(P<0.01),与支链淀粉含量呈极显著正相关(P<0.01)。除了淀粉含量外,其他因素如原料的物理性质(如容重、千粒重)、加工和发酵工艺等也会影响最终的淀粉利用率,可见高粱、小麦、玉米的淀粉利用率受到其他因素的影响较大。
2.2.2 原料发酵性能分析
由图3可知,10种高粱中河北粳高粱B产酒能力显著高于其他高粱,其产酒酒精度最高为24%vol。产酒能力最差的高粱有河北粳高粱A和山西糯高粱,二者产酒酒精度均为2%vol。山西糯高粱产酸能力显著高于其他高粱,其酸度最高为5.32 g/L;其次是河北粳高粱A,其产酒酸度为3.19 g/L;河北粳高粱B产酒的酸度最低,为0.57 g/L。3种小麦产酒能力无显著差异,产酒酒精度在25%vol～32%vol范围内;江苏小麦产酒的产酸能力最低,产酯能力最强,其产酒的总酸、总酯含量分别为0.30、0.81 g/L。7种大米中湖北籼米B产酒能力最强,其产酒酒精度为50%vol;产酒能力最差的是河北粳米,其产酒酒精度为30%vol,其他大米的产酒能力无显著差异,产酒酒精度在38%vol～40%vol范围内。大米产酸和产酯能力均较低,其产酒总酸含量和总酯含量分别在0.23～0.59 g/L、0.47～0.68 g/L范围内。2种糯高粱发酵性能无显著差异,产酒酒精度仅相差1%vol,产酒总酸含量仅相差0.04 g/L,产酒总酯含量仅相差0.06 g/L。5种玉米中山东玉米和新疆玉米A产酒能力无显著差异,二者的产酒酒精度分别为32%vol和28%vol,但均显著高于另外3种玉米;河南玉米产酒酒精度最低,为15%vol。河北玉米产酸能力最强,其产酒的总酸含量为1.39 g/L,比产酸能力最低的山东玉米高0.95 g/L;但产酯能力最差,其产酒的总酯含量为0.15 g/L,比产酯能力最高的新疆玉米A低0.45 g/L。
图3 不同原料发酵性能
Fig.3 Fermentation performance of different raw materials
由图4-a可知,各原料间产酒能力的关系为籼米=糯米=粳米≥小麦≥玉米≥粳高粱≥糯高粱。由图4-b可知,糯高粱产酸能力显著高于其他几种原料,除糯高粱外的其他原料产酸能力无显著差异。粳高粱和糯高粱总酸箱线图的箱子均较分散,可见高粱种内产酸能力差异大。总酯含量是评价白酒风味物质的重要指标,酯类化合物赋予白酒特殊的风味和口感[18]。由图4-c可知,5种原料中高粱产酯最多,其中粳高粱产酯能力最强,该结果验证了酿酒界“高粱产酒香”的说法。玉米产酯能力显著低于粳高粱,其他原料产酯能力无显著差异。
a-酒精度;b-总酸;c-总酯
图4 不同原料酿酒性能箱线图
Fig.4 Brewing performance box plot of different raw materials
2.3 原料品质与酿酒性能构成特征
不同原料营养成分含量不同,其酿酒性能也不同。采用统计学分析手段对不同原料品质与酿酒性能进行主成分分析(principle component analysis,PCA),结果如图5所示。5种粮谷原料中糯高粱和玉米均分布在第3象限且靠近千粒重和总酸2个指标,可见二者的原料品质和酿酒性能相似且二者的千粒重和产酒的总酸含量均较高。粳高粱、小麦、糯米和大米间品质和酿酒性能差异较大,粳高粱产酒的总酯含量较高,大米的水分、容重、蛋白质含量、淀粉利用率和产酒能力均较高;糯米的总淀粉和支链淀粉含量较高。
1-黑龙江粳高粱;2-河北粳高粱A;3-河北粳高粱B;4-山西粳高粱A;5-内蒙古粳高粱;6-山西粳高粱B;7-山西粳高粱C;8-四川糯高粱A;9-山西糯高粱;10-四川糯高粱B;11-安徽小麦;12-河南小麦;13-江苏小麦;14黑龙江粳米;15-河北粳米;16-7233粳米;17-湖北籼米A;18-安徽籼米;19-四川籼米;20-湖北籼米B;21-江苏糯米;22-安徽糯米;23-河南玉米;24-山东玉米;25-新疆玉米A;26-新疆玉米B;27-河北玉米(图6同)。
图5 原料品质与酿酒性能主成分分析图
Fig.5 Principal component analysis diagram of raw material quality and brewing performance
如图6-a所示,山西粳高粱A、内蒙古粳高粱、山西粳高粱B和山西粳高粱C的品质和酿酒性能相似,且千粒重、单宁、水分和直链淀粉含量均较高。3种糯高粱的品质和酿酒性能相似,且三者的蛋白质、支链淀粉含量和淀粉利用率、产酒的总酸含量均较高。支链淀粉含量高的原料易糊化[19],因此糯高粱比粳高粱更易糊化。黑龙江粳高粱的品质和酿酒性能与糯高粱的差异较小。河北粳高粱A、河北粳高粱B较其他高粱均差异较大,其中河北粳高粱B的容重较高。
a-高粱;b-小麦;c-大米和糯米;d-玉米
图6 不同原料品质与酿酒性能PCA结果
Fig.6 PCA results of different raw material quality and brewing performance
由图6-b可知,3种小麦分别分布在第1、3、4象限内,其中安徽小麦和河南小麦差异较小。3种小麦中安徽小麦的容重和淀粉利用率较高;河南小麦的水分、蛋白质含量以及产酒的总酸含量较高;江苏小麦的千粒重、淀粉含量、产酒能力和产酒的总酯含量较高。由图6-c可知,糯米和大米的品质和酿酒性能差异较大,糯米的淀粉含量较高,大米的蛋白质、水分、直链淀粉含量以及酿酒性能较高,可见大米比糯米更适合酿酒。大米中黑龙江粳米和河北粳米品质和酿酒性能相似,且二者的蛋白质和水分含量较高;而7233粳米与二者差异较大。7233粳米与籼米的品质和酿酒性能相似,且二者的产酒能力和产酒的总酸、总酯含量均较高。湖北籼米A和安徽籼米品质和酿酒性能相似,且二者的直链淀粉含量和淀粉利用率均较高。由图6-d可知,5种玉米集中分散在原点周围,说明玉米品种间品质和酿酒性能差异较小。河南玉米和新疆玉米A的淀粉含量较高;山东玉米和新疆玉米B的蛋白质、脂肪、支链淀粉含量和淀粉利用率均较高;河北玉米的容重和产酒的总酸含量均较高。同种原料中有的原料品质和酿酒性能相似,当企业缺乏某一原料时可用另一相似的原料代替。
2.4 原料品质与酿酒性能相关性分析
千粒重和容重属于原料的物理性质,用于体现原料的优质性,而其他指标均属于原料品质相关的化学指标,对酿酒性能的影响较大,因此针对原料的酿酒特性与品质间的相关联系,选取水分、蛋白质、总淀粉、直链/支链淀粉比等几个原料营养成分化学指标与淀粉利用率、酒精度、总酸和总酯等酿酒性能指标进行整体相关性分析。
由图7可知,酿酒原料中水分与淀粉利用率之间呈现显著正相关(P<0.05),直链淀粉和总酯之间呈现显著正相关(P<0.05);总淀粉与酒精度之间呈现极显著正相关(P<0.01),蛋白质与酒精度之间呈现极显著正相关(P<0.01);总淀粉与总酸之间呈现显著负相关(P<0.05),蛋白质与总酸之间呈现显著负相关(P<0.05),酒精度与总酸之间呈现极显著负相关(P<0.01)。
图7 原料品质与酿酒性能相关性热图
Fig.7 Heat map of correlation between raw material quality and brewing performance
单宁仅在高粱中有,适量的单宁赋予白酒独特的风格和口感,同时还具有一定的抗氧化作用,但高粱中单宁含量过高则会导致白酒口感过于粗糙、苦涩,同时还会对发酵过程产生抑制作用[20]。因此在高粱品质与酿酒性能相关性分析时加上了单宁含量。适量的脂肪含量会增加白酒的香气和口感,若脂肪含量过高,则会导致白酒异味、影响微生物生长代谢从而导致出酒率和酒质量下降等[21]。大米[22](<1%)、小麦[23](<2%)和高粱[24](≤4%)的脂肪含量较少,不会影响白酒的正常发酵;而玉米中脂肪含量较高(3%～5%),因此分析与玉米品质相关酿酒性能时要考虑脂肪含量。对不同原料品质及其酿酒性能分别进行相关性分析,结果如图8所示。高粱中直链淀粉与总酯之间呈极显著正相关(P<0.01),酒精度与总酸之间呈现极显著负相关(P<0.01);小麦中总酸和总酯呈现显著负相关(P<0.05);大米中总淀粉与总酯之间呈现极显著负相关(P<0.01);玉米中原料营养成分指标与酿酒性能之间并未呈现明显相关性。
a-高粱;b-小麦;c-大米;d-玉米
图8 不同原料品质与酿酒性能相关性热图
Fig.8 Heat map of correlation between quality of different raw materials and brewing performance
3 结果与讨论
本研究分析了7种共27份常用酿酒原料的质量指标,通过测定各原料的淀粉利用率和酿酒发酵实验分析其酿酒性能,并采用数据统计分析方法对粮谷原料的质量指标与产酒品质进行系统性分析,得到主要结论如下:
a)分析27份不同品种原料质量指标发现:物理指标中,大米和糯米的容重最大(约930 g/L),玉米最小(约770 g/L);玉米千粒重最大(363 g/千粒),其他原料千粒重为12～50 g。营养指标中,淀粉含量范围为59%～79%,糯米含量最高,玉米最低;支链淀粉含量为71%～98.5%,糯米含量最高,小麦含量最低;蛋白质含量为7%～16%,小麦含量最高,玉米含量最低。
b)原料淀粉利用率关系为粳米≥籼米≥糯高粱≥粳高粱≥玉米、小麦≥糯米,最大值为338.8 mg/(g·h),约为最小值的3倍。大米淀粉利用率与总淀粉含量呈显著正相关(P<0.05),糯米淀粉利用率与总淀粉和直链淀粉含量呈极显著负相关(P<0.01),与支链淀粉含量呈极显著正相关(P<0.01)。进一步分析原料酿酒效果发现不同原料的酿造特点为:大米产酒、糯高粱产酸、粳高粱产酯。
c)通过PCA发现,糯高粱和玉米品质和酿酒性能效果相似,其他原料种间差异较大;糯高粱、糯米和大米种内差异较小,综合而言,不同原料质量品质和酿酒性能的种内差异整体小于种间差异。
d)通过相关性分析发现,原料中水分与淀粉利用率间呈显著正相关(P<0.05),直链淀粉与总酯间呈显著正相关(P<0.05);总淀粉与酒精度间呈极显著正相关(P<0.01),蛋白质与酒精度间呈极显著正相关(P<0.01)。总淀粉与总酸间呈显著负相关(P<0.05),蛋白质与总酸间呈显著负相关(P<0.05);酒精度与总酸间呈极显著负相关(P<0.01)。高粱中直链淀粉与总酯间呈极显著正相关(P<0.01);小麦中总酸和总酯间呈显著负相关(P<0.05);大米中总淀粉与总酯间呈极显著负相关(P<0.01)。
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