麦曲以小麦为主要原材料,经过挑选、过筛、轧碎、加水拌料等环节发酵而成,起糖化、生香、调味等功能,被广泛用于白酒、黄酒、酱油、食用醋等传统发酵食品中[1-2]。麦曲质量的优劣是决定发酵食品品质的关键因素,因此对麦曲生产工艺的研究,一直受到研究人员的密切关注。

目前,对曲的研究多针对于曲中微生物来源及演替规律[3]、关键微生物的筛选[4]、鉴定、强化[5]及使用微生物强化发酵食品的风味[6]等,但是原料预处理方式对曲的影响研究较少。《齐民要术》第七卷中记载,小麦以“蒸、炒、生磨”3种方式处理,然后混合使用制曲,所得麦曲风味优良[7]。碾碎及蒸制小麦已经被广泛应用于酒曲的制备,生、熟麦曲为发酵提供了所需的微生物及水解酶,同时贡献了部分风味物质[8]。彭金龙等[9]以爆炒小麦和高粱为原料进行制曲并用于黄酒酿造,与生麦曲对比,爆麦曲具有更高的糖化力,同时降低了黄酒中高级醇,提高了酯类物质含量。李娟[10]使用不同粉碎度小麦制备大曲,结果表明不同粉碎程度的小麦对大曲的升温速度,顶温温度、顶温维持时间有影响,进而影响发酵后期麦曲的保水性能、降温状况及微生物繁殖代谢。与未发芽小麦相比,麦芽中的γ-氨基丁酸和叶酸含量上升,酚类物质更加多样,各种酶类、膳食纤维、还原糖、维生素等含量也有提高,因此食用发芽谷物对人体有益,其可以作为强化谷物产品的潜在原料[11]。钱沁[12]将麦芽加入到食醋发酵中,开发出一款啤酒风味的食用醋,其乳酸含量提高了408.4%,酯类含量提高了36.2%,整体风味优于市售醋。

目前,机械化黄酒生产多将生、熟麦曲混合使用,以提高基酒酒精度和回归传统手工黄酒风味。本文通过碾碎、烘焙、发芽和蒸制的方法处理小麦,探究不同预处理方式小麦的理化性质、淀粉结构变化、酶解效果及其可能对麦曲发酵的影响,用分离自黄酒麦曲中的糖多孢菌接种小麦,研究不同处理方式小麦对麦曲品质及黄酒挥发性物质的影响,为麦曲优化、机械化黄酒风味智能化调控提供新思路。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

小麦,无锡汇聚通粮贸有限公司;放线菌液体培养基,青岛海博生物科技有限公司;3,5-二硝基水杨酸(3,5-dinitrosalicylic acid,DNS)、葡萄糖、氢氧化钠、氯化钠、淀粉、碘、碘化钾、乙酸钠、乙酸、可溶性淀粉(均为分析纯)、琼脂,国药集团化学试剂有限公司;糖化酶、α-淀粉酶,上海泰坦科技股份有限公司;乙腈、甲醇(均为色谱纯),Sigma Aldrich公司。

本文使用的菌株如表1所示。A22是本实验室分离自黄酒麦曲中的一株放线菌诱变而来,先前的研究表明糖多孢菌属与黄酒发酵过程中的风味物质联系紧密,使用A22接种生麦曲被证明能有效降低机械酿制黄酒中的苦涩味[13]。

1.2 仪器与设备

DHF-9140A电热鼓风干燥箱,上海一恒科学仪器有限公司;SWCJ-1CCV超净工作台,苏州安泰空气技术有限公司;SpectraMax190酶标仪,美国MD公司;KC/HWS-250PY恒温恒湿培养箱,上海凯测实验设备有限公司;YXQ-50SⅡ立式压力蒸汽灭菌锅,上海博迅实业有限公司;17-28挤扁式碾压机,曲阜市恒佳机械有限公司;T7-L385F美的电烤箱,广东美的厨房电器制造有限公司;Thermo Fisher Trace气相色谱质谱联用仪,美国Thermo公司;NEXUS傅里叶变换红外光谱仪,美国尼高力仪器公司。

1.3 实验方法

1.3.1 不同预处理方法的小麦制备

不同碾压程度的小麦制备:使用碾轧机对小麦进行碾轧处理,间隙参数分别设置1、3、5 mm碾压小麦。收集不同粉碎处理的小麦分别记为M1、M3、M5,破碎比计算如公式(1)所示:

破碎比

(1)

不同浸麦工艺的发芽小麦制备:常用的浸麦工艺有:浸二断六、浸四断四、浸四断八、浸六断二和重浸法,浸麦工艺如图1所示。将浸泡后的麦粒置于15 ℃ 的发芽箱、空气相对湿度>95%RH,发芽60 h,期间喷水保湿,收集不同浸麦条件下发芽小麦,按上述工艺顺序分别记为:Y2-6、Y4-4、Y4-8、Y6-2、Y0-0。制曲时,将不同处理麦芽通过3 mm间隙参数碾碎。

不同烘焙处理的小麦制备:将M3小麦于120、140、180、200、220 ℃下烘烤15 min,分别记为:120B、140B、180B、200B、220B。将M3小麦在200 ℃烤制不同的时间5、10、15、20、25、30 min,分别记为:B05、B10、B15、B20、B25、B30。

不同蒸制处理的小麦制备:向M3小麦中分别加入38%、42%、46%、50%、54%(质量分数)的常温清水润料2 h,蒸制40 min,记为38Z、42Z、46Z、50Z、54Z。向M3小麦加入50%(质量分数)的水润料2 h后,设置蒸煮时间分别为20、30、40、50、60 min,记为Z20、Z30、Z40、Z50、Z60。

1.3.2 小麦基础组分测定

蛋白质含量测定参考GB 5009.5—2016 《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》。直链淀粉、支链淀粉含量测定参考姚哲[14]的方法。

1.3.3 酶解特性测定

酶解特性的测定参考姚哲[14]的方法并进行改进。取10 g的样本,10 mL无菌水于三角瓶中,置于灭菌锅中灭菌。放凉后向三角瓶中加入30 mL无菌水,0.2%的α-淀粉酶、0.1%的葡糖淀粉酶(质量分数,以生米质量计),置于30 ℃水浴中糖化12 h,每隔3 h取样1次,测定糖化液中还原糖(以葡萄糖计)的含量。

1.3.4 衰减全反射傅里叶变换红外光谱(attenuated total reflectance-Fourier transform infrared spectroscopy,ATR-FTIR)法测定样品中淀粉的短程有序性

微观结构测定参考WARREN等[15]的方法,计算1 047 cm-1/1 022 cm-1和1 022 cm-1/995 cm-1的峰强度比值,其常用于表征淀粉双螺旋结构短程分子有序性,比值越大,表明淀粉双螺旋结构短程分子有序性越好。

1.3.5 菌种活化

A22、HJ活化参考马东林[16]的方法并改进,A22液体培养时转速调整为:200 r/min。

1.3.6 发酵实验

制曲和酿酒参考MA等[5]的方法进行并优化,制曲使用的小麦由1.3.1节中不同预处理的小麦组成,发酵时间为6 d,每天分别进行一次取样,测定其理化指标。

糖化酶活力、液化酶活力测定参考马东林[16]的方法。黄酒中还原糖测定使用DNS法[17],总酸、氨基酸态氮测定方法参考GB/T 13662—2018《黄酒》。挥发性成分测定采用顶空固相微萃取(headspace solid phase microextraction,HS-SPME)/GC-MS法[5]。

1.4 数据分析及处理

实验结果表示为3次独立重复实验的“平均值±标准差”。图、表中的不同字母表示差异有统计学意义(P<0.05)。统计分析使用SPSS软件(V 25.0)和Origin 2023(64位)进行,使用SIMCA 13.0(Umetricus,瑞典)对风味化合物数据进行重要性变量投影(variable importance in projection,VIP)鉴别。

2 结果与分析

2.1 碾碎处理对小麦理化性质及制曲影响

随着间隙参数的不断减小,破碎比逐渐减小(M5:0.89±0.03c vs M3:0.62±0.23b vs M1:0.42±0.27a,P<0.05),这说明间隙参数的减小使得粉碎更加彻底。如表2所示,不同碾碎程度的小麦ATR峰比值存在显著差异性,M3组的ATR峰比值有最大值,表明M3组微观结构有序性最好,这不利于酶解反应,与表2的结果类似,在图2-a中,前9 h内M3组还原糖含量低于M1组。

在制曲发酵过程中,微生物生长所需的营养源均来源于小麦,不同碾碎程度的小麦导致麦曲内部结构差异。有报道称使用不同粉碎度小麦制曲,对大曲的发酵参数有影响,进而影响微生物繁殖代谢[10]。碾碎使小麦中营养物质损失,破碎度越高,损失越严重,如图2-b所示,高粉碎组M1在碾碎过程中淀粉损失较多,麦皮占比上升,麦曲结构更为疏松,这不利于积温,从而影响风味物质的生成,这与李娟[10]的研究结果相反,可能是因为制曲的方式不同(散曲和包包曲)导致麦曲内部紧实程度不同而出现差异。在发酵过程中麦曲的酶活力先增后降,如图2-c、图2-d所示,在发酵5 d时M3组具有最高的酶活力,这可能是因为低粉碎度组M3、M5曲中粗颗粒较多,造成曲的内部空隙度大、透气性好,有利于好氧微生物生长。但M5组曲存在未被碾开的小麦,曲的酶活力低,不能满足后续发酵的需求。综上,使用M3处理的小麦更适合制备麦曲,所得的曲酶活力最高,更有利于后续酿造。

2.2 烘焙处理对小麦理化性质及制曲影响

烘焙处理对谷物的微观结构存在影响,如表3所示,小麦的ATR峰比值与烘焙时间呈负相关,与烘焙温度呈正相关,但在烘焙温度超过200 ℃后,小麦的ATR峰比值出现下降趋势,但相较于碾碎组有所上升。烘熔处理对小麦理化性质及制曲影响如图3、图4 所示。烘焙处理导致小麦的酶解特性下降,如图3-a、图4-a所示,烘焙组的还原糖产量低于碾碎组的还原糖产量[B15:(65.62±0.94) g/L, M3:(82.49±2.64) g/L],这可能是因为烘焙改变了谷物淀粉的分子大小,减少了聚合度(degree of polymerization,DP)5 000～20 000的长直链淀粉链[18]。如图3-b、图4-b所示,随着烘焙时间延长和烘焙温度升高,小麦淀粉、蛋白质含量下降,这可能是高温促进了复合物的生成[19],进而阻碍酶解的进行,使用不同烘焙条件处理的小麦制曲也证明了这一点,如图3-c、图3-d、图4-c、图4-d所示,随着烘焙时间的延长和烘焙温度的升高,麦曲的酶活力先升高再下降。同比碾碎组曲,烘焙组曲的糖化酶、液化酶活力分别降低22.3%、10.1%。

烘焙常被用来赋予谷物特殊香气[20],增加风味化合物组成。汪江波等[21]研究发现小麦和大麦经过烘烤后,原料的焦香风味成分增加15种,与未焙烤原料制备的白酒相比,焦香风味成分含量增加,吡嗪含量升高。在以往的研究中,酱香型和艺麻香型白酒的焦香味物质来源于高温制曲等过程的美拉德反应[22],这需要对发酵过程进行严格控制,否则就会导致“糊曲”,致使曲风味变差、活力降低。综上,烘焙处理导致小麦更难以被酶解利用,降低了小麦的发酵性能。但是相较于需要严格控制发酵过程的高温大曲制备工艺,烘焙预处理小麦为曲带来了焦香味,可以在一定程度上简化麦曲生产工艺,最佳烘焙方案需要结合酿酒结果进一步确定。

2.3 发芽处理对小麦理化性质及制曲影响

小麦芽可作为一种天然的酶源用于食品行业中[23],在酿酒行业中,麦芽最常作为粗酶制剂并在酿造过程中起糖化的作用,促进发酵。随着空气休止时间的缩短,小麦芽的ATR峰比值逐渐降低,如表4所示,这可能是因为小麦发芽过程中蛋白质、脂肪等物质降解为小分子物质。

在发酵过程中,通常需要先将原材料中的淀粉分解为可发酵性的糖,才能进一步被微生物利用。发芽过程中产生大量水解酶[11],能有效提高原料利用率,增加原料中初始的还原糖含量,从而增加制曲前期微生物生物量,扩大强化菌株丰度,达到强化麦曲的目的,如图5-a所示,发芽小麦在测定酶解特性前含有高于其他处理组的还原糖含量。在酶解6 h后其还原糖含量逐渐趋向平缓,这是因为发芽消耗了大量的营养物质,如图5-b所示。因此,将发芽小麦打碎后用于麦曲发酵可能更有利于底物分解,从而促进麦曲的发酵。如图5-c、图5-d所示,相较于碾碎组,发芽组麦曲糖化酶、液化酶活力分别提高了138.6%和98.35%。此外,快速生长的微生物积累大量生物热,使得发酵体系的温度迅速升高,影响微生物群落结构演替[24]。在这个过程中,生物热对麦曲的微生物群落起净化作用,并减少有害微生物的次级代谢产物进入黄酒发酵系统[25]。在发芽过程中,小麦中阿魏酸、香草醛、香草酸等被释放[26],制曲时经过微生物作用能赋予曲良好的清香味[27]。综上,使用浸四断八的方法制得的小麦最适合进行麦曲制备,但仅将发芽小麦作为发酵基质可能导致发酵过快,发酵不完全,风味物质积累少。

2.4 蒸制处理对小麦理化性质及制曲影响

蒸制是最常见、最方便的一种谷物的预处理方式,其常被认为可以减少营养成分损失且可以保持食品原有的风味及性质[28]。蒸制处理对小麦理化性质及制曲影响如图6、图7所示。在蒸制过程中,水分子进入谷物内部,小麦的微观结构发生破坏,如表5所示,随着蒸制时间的延长,不同蒸制条件处理的小麦ATR峰值比逐渐降低,且相较于碾碎组有所下降。不同蒸制条件处理对小麦的酶解特性影响较小,如图6-a、图7-a所示,不同蒸制条件处理小麦酶解后产生的还原糖含量相近。不同蒸制条件对小麦的营养物质含量没有显著影响,如图6-b、图7-b所示,这与前人的研究结果一致。小麦经过蒸制后淀粉发生糊化,有利于被微生物利用,如图6-c、图6-d、图7-c、图7-d所示,蒸制组麦曲发酵更为迅速,酶活力迅速积累,这导致麦曲品温急速升高,顶温维持时间缩短,反而不利于风味物质形成。蒸制组麦曲表现出较高的酶活力,相较于碾碎组,蒸制组麦曲的糖化酶、液化酶活力分别提高了72%和91.8%,能促进发酵底物的分解。同时更易被酶解的蒸制小麦也提高发酵过程中微生物的生物量,为发酵醪提供氮源,为后续发酵提供更多风味前体[29]。但是过多的水分会导致熟麦曲中孔隙大小降低,不利于氧气进入麦曲内部,影响微生物群落组成及演替。综上,添加46%体积分数的润料水润料后蒸制40 min的小麦最适宜制备麦曲。

2.5 不同预处理小麦模拟黄酒发酵理化指标差异

在黄酒发酵中,来自曲及酒母中的微生物生长将底物转化为各种代谢物,并产生特殊的香气。不同预处理的小麦理化性质、微观结构、发酵性能等表现出诸多差异,这导致了它们在制曲时出现差异,最终影响黄酒的风味及品质(图8)。图8-a表示了不同处理组黄酒的酒精度,其是衡量发酵是否顺利的一个重要指标,蒸制组、发芽组曲表现出较高的酶活力,加快了液态发酵体系中底物分解,从而促进黄酒发酵,相较于碾碎组,蒸制组酒精度提高9.53%,烘焙组麦曲虽然酶活力较低,但是发酵后的酒精度能达到国家标准的要求。酸度是酒醅的重要指标,有机酸在一定程度上可以促进淀粉糊化,但过多的有机酸会钝化酶的活性,影响微生物生长繁殖和代谢,抑制发酵的进行,最终对酒的产量和质量产生不利影响[8]。如图8-c、图8-d所示,相较于碾碎组,烘焙小麦、发芽组黄酒中酸度分别降低了19.12%和16.91%,氨基酸态氮含量提高了45.74%和22.21%,这可能更有利于风味物质的形成[16]。

不同预处理小麦制曲后发酵黄酒风味物质差异如图9所示。为了进一步探究不同处理组麦曲对黄酒风味的影响,将不同组黄酒所测得挥发性风味化合物进行主成分分析,如图9-a所示,使用不同预处理小麦发酵黄酒的挥发性风味物质具有差异性,如图9-b,其中VIP值>1,共有10种酯、2种酚。统计了不同组黄酒中挥发性风味物质含量,如图9-c、图9-d 所示,相较于碾碎组,蒸制组酚类物质含量提高215.64%,但挥发性风味物质总含量低于其他组,烘焙组黄酒中含氮类风味化合物(主要是吡嗪类)、醛酮类物质种类和含量都有所增加,分别提高399.77%和35.27%,因此使用在200 ℃烘焙25 min的小麦最适宜制备麦曲。在发芽组中,癸酸乙酯、肉豆蔻酸乙酯、苯甲酸乙酯、乙酸异戊酯、反式-橙花叔醇、癸酸乙酯等酯类物质相较于其他黄酒提高29.61%,这些物质通常被描述为香蕉味、椰子香、柑橘香等水果香气及花香、青草味等[30-31],使得所得黄酒风味更丰富。基于以上分析,进一步说明原料预处理方法的不仅可以影响曲的发酵进程,还影响黄酒的理化指标,改变黄酒风味。

3 结论

本文研究了不同预处理对小麦理化性质、微观结构、对麦曲酶活力和黄酒风味的影响。监测了不同预处理小麦的发酵性能,运用顶空固相微萃取结合气相色谱质谱联用技术解析了不同处理组黄酒的挥发性风味物质含量,并对挥发性风味物质结果进行了主成分分析。研究结果表明,4种处理方式均影响麦曲活力及黄酒风味,与传统制曲工艺(碾碎组)相比,蒸制处理对小麦微观结构破坏程度最高,使得麦曲发酵更为迅速,成品曲酶活力更高,更有利于酒精的生成,但是所得黄酒风味化合物总含量低于其他处理组。烘焙处理促进了小麦中复合物的产生,阻碍了酶解反应的进行,导致烘焙组麦曲酶活力偏低,但烘焙处理增加了小麦中吡嗪类、醛酮类等焦香味物质,增加了原料的风味,简化了发酵工艺,所得黄酒总酸低,氨基酸态氮、含氮挥发性化合物及醛酮类物质含量更高,丰富了黄酒的风味。发芽处理提高了麦曲发酵前底物中的还原糖含量,有利于强化的微生物快速增殖,增加强化菌株丰度,从而提高目标化合物含量及促进强化曲发酵,酯类物质含量更高,可能为黄酒带来特殊的麦芽香气。

本研究以4组麦曲发酵黄酒的共性与差异为切入点,针对不同预处理的小麦对麦曲发酵过程的影响及对黄酒品质的影响,初步分析了它们之间的潜在联系,总结出了不同预处理的小麦对制曲效果、黄酒理化指标及风味物质含量的影响,对科学指导麦曲工艺优化有一定意义,为未来机械化黄酒品质智能化调控提供了新方法。

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Influence of different pretreatment methods of wheat on quality of wheat Qu and Huangjiu

WANG Cheng1, LIU Shuangping1,2*, ZHOU Zhilei1,2, SUN Aibao3, XU Yuezheng3, MAO Jian1,2

1(State Key Laboratory of Food Science and Resources, School of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

2(Shaoxing Key Laboratory of Traditional Fermentation Food and Human Health, Jiangnan University (Shaoxing) Industrial Technology Research Institute, Shaoxing 312000, China)

3(National Engineering Research Center of Huangjiu, Zhejiang Guyuelongshan Shaoxing Wine Co.Ltd., Shaoxing 312000, China)

ABSTRACT In this paper, wheat was treated by milling, baking, steaming and malting, and the effects of different treatments on wheat quality, Qu making and Huangjiu flavor were comparatively analyzed.Results showed that compared with the milling group, the glucoamylase activity of the malting and steaming groups respectively increased 138.6% and 72%, the amylase activity increased 98.35% and 91.8%.On the display of the Huangjiu, compared with the milling group, the alcohol content of the steaming group was increased 9.53%, the acidity of the steaming group, the baking group and the malting group were decreased 8.11%, 19.12%, and 16.91%, and the amino nitrogen was increased 45.92%, 45.74%, and 22.21%;On volatile flavor compounds, compared with the milling group, the polyphenol content of the steaming group increased 215.64%, the aldehydes, ketones and nitrogen compounds of the baking group increased 35.27% and 399.77%, and the ester content of the germination group increased 29.61%.This provided a new direction for the optimization of the Qu making process and flavor regulation of mechanized Huangjiu.

Key words wheat; wheat pretreatment; wheat Qu; Huangjiu; volatile flavor substances

DOI：10.13995/j.cnki.11-1802/ts.041426

引用格式：王城,刘双平,周志磊,等.小麦的不同预处理方式对麦曲和黄酒品质的影响[J].食品与发酵工业,2025,51(24):95-104.WANG Cheng,LIU Shuangping,ZHOU Zhilei, et al.Influence of different pretreatment methods of wheat on quality of wheat Qu and Huangjiu[J].Food and Fermentation Industries,2025,51(24):95-104.

第一作者：硕士研究生(刘双平教授为通信作者,E-mail:liushuangping668@126.com)

基金项目：国家重点研发计划专项(2022YFD2101204-03);浙江省地协同项目(2024SDXT001-4);绍兴市科技计划项目(2023B43001)

收稿日期：2024-12-10,改回日期:2025-04-22