高熳熳，劉騰云，白俊巖，程書梅，吳榮榮*

（1.河北農業(yè)大學 食品科技學院，河北 保定 071000；2.衡水學院 生命科學學院，河北 衡水 053000）

白啤酒是以大麥芽和小麥芽為主要原料，酒花為輔料，經(jīng)上面酵母發(fā)酵而成。白啤酒輕微渾濁，外觀獨特，口味清爽，帶有淡淡的酒花香味和微微的酒花苦味，營養(yǎng)價值較高，具有強心、利尿、防治高血壓等作用[1-2]。小麥作為優(yōu)異的啤酒原料之一，α-淀粉酶含量較高，有利于淀粉的水解，得到更多的可發(fā)酵糖。蛋白含量也較為豐富，可以增加啤酒的泡持性，泡沫豐富細膩。且其無水浸出率比大麥芽要高，對啤酒的生產工藝和啤酒的品質產生較大的影響[3-6]。但麥芽中含有的物質大部分是非水溶性的，而釀造啤酒所需要的物質是水溶性的，這就需要通過糖化，將麥芽中的不溶性物質轉化為水溶性物質。為提高浸出物的含量，減少經(jīng)濟成本，需要對糖化工藝條件進行優(yōu)化。

我國啤酒企業(yè)發(fā)展較快，但在工藝、技術和品質上存在著一些缺陷。近年來，我國學者對于啤酒的研究也不曾間斷。王志堅[7]通過調整大麥芽、小麥芽和大米的比例來提高成品酒的質量；申紅艷[8]用小麥芽替代部分大麥芽，并添加復合酶來降低了麥汁生產成本；夏振江等[9]對釀造小麥品種的選擇、制麥設備、工藝創(chuàng)新方面進行研究，總結了β-葡聚糖對啤酒生產的影響及在制麥過程中的控制。而對于糖化工藝的研究較少，卞猛等[10]采用單因素及正交試驗研究了藜麥啤酒糖化過程中不同的下料溫度、料水比、投料水pH對藜麥麥汁總黃酮含量的影響，同時對藜麥啤酒的感官、理化及微生物指標進行了品評和測定。結果表明，最佳藜麥啤酒糖化工藝為下料溫度60 ℃、料水比1∶5.0（g∶m L）、投料水pH值為5.0。在此最佳條件下，麥汁總黃酮含量為0.32mg/m L，原麥汁濃度為10.94 °P。

本研究利用小麥芽代替部分大麥芽，對麥汁糖化工藝進行優(yōu)化，探討了52℃、65℃保溫時間、物料配比和水料比這4個因素對麥汁中浸出物中各組分含量的影響，并采取單因素試驗和響應面試驗，分析不同因素對麥汁品質的影響，通過回歸和方差分析等方法相結合找出影響麥汁品質的主要影響因素，建立回歸相關模型，旨在改善糖化條件，提高麥汁收得率。這不僅豐富了啤酒的種類，還緩解了我國啤酒原料短缺的現(xiàn)象。同時，這也是我國啤酒企業(yè)的創(chuàng)新之處，無形中增加了小麥商用價值，充分的利用了農副產品資源。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小麥芽、大麥芽：煙臺帝伯仕啤酒技術有限公司；青島大花、卡斯卡特啤酒花：濟南尚德生物技術有限公司；甘氨酸、D-果糖（均為分析純）：北京博奧拓達科技有限公司；硼酸、茚三酮、碘酸鉀、次甲基藍、葡萄糖（均為分析純）：天津市福晨化學試劑廠。

1.2 儀器與設備

752型紫外可見分光光度計：上海光譜儀器有限公司；PRACTUM 124-1CN賽多利斯電子天平：賽多利斯科學儀器（北京）有限公司；GZX-9240MBE電熱鼓風干燥箱：上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠；kjeltec 8400全自動定氮儀：福斯華（北京）科貿有限公司；PHS-3C酸度計：上海理達儀器廠；HH-W 600數(shù)顯恒溫三用水箱：金壇市朗博儀器制造有限公司；THZ-82恒溫振蕩器：常州國華電器有限公司；SA.1-1861A附溫比重瓶：上海市崇明建設玻璃儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 麥汁糖化工藝流程及操作要點

大麥芽、小麥芽→粉碎→糖化→過濾→煮沸→添加酒花→冷卻→過濾→麥芽汁

操作要點：

原料粉碎：用粉碎機將大麥芽、小麥芽分別粉碎無較大粒即可，準確稱取并按一定的水料比添加37℃蒸餾水。

糖化：采用低溫（37℃）投料的二次煮出糖化法[11]，即37℃保溫10min，此過程可有效浸出麥芽中的酶類，有機磷酸鹽類開始分解，有利于β-葡聚糖的分解[12]；52℃糖化保溫40min使蛋白質逐漸分解，低分子含氮物質的含量逐漸上升[13]；65℃糖化保溫60m in，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[14]；78 ℃保溫10m in使β-淀粉酶失活，α-淀粉酶和某些耐高溫的酶類仍然發(fā)揮作用，殘留的淀粉被分解[15]。

過濾：糖化過程結束后采用過濾槽法對麥汁進行過濾，糖化醪經(jīng)過充分攪拌后，靜置20min，麥糟自然沉降形成過濾層。過濾過程中，剛開始得到的麥汁比較渾濁，應再次打入過濾槽中重新過濾，直至得到的麥汁清澈為止。當麥糟露出液面時開始洗糟，洗糟水76～78℃，洗糟過程可以連續(xù)進行，控制最后的洗出液麥汁濃度在1.0～1.5°P[16]。

煮沸：麥汁煮沸是為了蒸發(fā)出多余的水分達到規(guī)定的濃度，同時溶出酒花中香味物質和苦味物質[17]。在煮沸過程中，麥汁中的可凝固蛋白-多酚復合物逐漸形成與析出，破壞麥汁中的酶，固定麥汁成分，提高啤酒的非生物穩(wěn)定性。

添加酒花：酒花的添加增加了麥汁的香氣和苦味，有利于蛋白質的凝固析出[18]。為保證白啤酒的低苦味以及明顯的酒花香，酒花總量以0.13%～0.16%為宜[19]。本試驗煮沸時間為90m in，酒花分3次添加，煮沸10m in后第一次添加，添加量為酒花總量的19%；沸后45min第二次添加，添加量為酒花總量的43%；煮沸結束前10min第三次添加，添加量為酒花總量的38%[20]。

冷卻：在麥汁煮沸結束后，應盡快除去麥汁中的熱凝固物和冷凝固物，并使麥汁的溫度降到酵母生長繁殖所需的溫度。煮沸過程中，熱凝固物逐漸析出，主要為蛋白質和多酚形成的復合物。在麥汁冷卻過程中，隨著麥汁溫度的不斷下降，冷凝固物逐漸析出，這個過程是可逆的，當溫度升高時，麥汁恢復清亮透明。

過濾：對冷卻麥汁進行過濾，除去熱凝固物和冷凝固物后得到麥芽汁。

1.3.2 麥芽汁糖化工藝優(yōu)化單因素試驗

以麥汁浸出物得率為評價指標，對小麥芽添加量（40.0%、42.5%、45.0%、47.5%、50.0%、52.5%、55.0%）、水料比（3.00∶1、3.25∶1、3.50∶1、3.75∶1、4.00∶1、4.25∶1、4.50∶1（m L∶g））、52 ℃糖化時間（30min、35min、40min、45min、50min）、65 ℃糖化時間（40min、50min、60min、70min、80min）4個因素進行單因素試驗，考察各因素對麥汁浸出物得率影響。

1.3.3 麥汁糖化工藝優(yōu)化響應面試驗設計

在單因素試驗結果基礎上，以麥汁浸出物得率（Y）為響應值，選取小麥芽添加量（X1）、水料比（X2）、52℃糖化時間（X3）、65℃糖化時間（X4）4個因素進行響應面試驗優(yōu)化糖化工藝[15]，Box-Behnken試驗因素與水平見表1，試驗設3次重復。

表1 麥汁糖化工藝優(yōu)化Box-Behnken試驗設計因素與水平Table 1 Factors and levels of Box-Behnken experiments design for wortmashing technology optim ization

1.3.4 麥汁理化指標的測定

還原糖含量測定參照國標GB/T 5009.7—2016《食品中還原糖的測定》中的直接滴定法[21]；α-氨基酸態(tài)氮含量測定參照國標GB/T 5009.235—2016《食品中氨基酸態(tài)氮的測定》中的酸度計法[22]；可溶性氮含量測定參照國標GB/T 5009.5—2016《食品中蛋白質的測定》中的自動凱氏定氮儀法[23]；麥汁浸出物得率測定利用比重瓶可測得麥汁的相對密度，查密度對應濃度的表格可得麥汁的濃度，計算得到麥汁浸出物得率[24]。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel軟件進行繪圖和數(shù)據(jù)處理，SPSS 19.0軟件進行差異性顯著性分析，響應面試驗數(shù)據(jù)采用Design Expert 8.0.6軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 麥汁糖化工藝優(yōu)化單因素試驗結果

2.1.1 小麥芽添加量對麥汁糖化效果的影響

圖1 小麥芽添加量對糖化效果的影響Fig.1 Effect ofwheatmalt addition on saccharification

由圖1可知，隨著小麥芽添加量在40.0%～55.0%范圍內的增加，麥汁浸出物得率呈先上升后下降的趨勢，并在小麥芽添加量為42.5%時麥汁浸出物得率出現(xiàn)峰值，為78.20%。并且通過單因素方差分析可知，小麥芽添加量為42.5%時，與其他水平結果相比較差異極顯著（P＜0.01）。小麥中含有豐富的淀粉和蛋白質，在一定范圍內隨著添加量的增大，麥汁浸出物得率逐漸升高，但是由于小麥芽添加量的過多會導致麥糟層不易形成，過濾不徹底，造成浸出物的損失。因此，最適小麥芽添加量為42.5%。

2.1.2 水料比對麥汁糖化效果的影響

圖2 水料比對糖化效果的影響Fig.2 Effect ofwater to material ratio on saccharification

由圖2可知，隨著水料比在3.00∶1～4.50∶1（m L∶g）范圍內增大，麥汁浸出物得率呈先上升后慢慢下降的趨勢，在水料比為3.75∶1（m L∶g）時麥汁浸出物得率出現(xiàn)峰值，為78.10%。并且通過單因素方差分析可知，水料比為3.75∶1（m L∶g）時，與其他水平結果相比較差異顯著（P＜0.05）。當水料比較低時，糖化期間酶的活力較低，在一定范圍內隨著水料比的增大，酶的活性逐漸提高，浸出物收得率逐漸升高。但是水料比過大時，洗糟水用量減少，過濾不徹底，造成浸出物的損失。因此，最適水料比為3.75∶1（m L∶g）。

2.1.3 52℃糖化時間對麥汁糖化效果的影響

圖3 52℃糖化保溫時間對糖化效果的影響Fig.3 Effect of saccharification time at 52℃on saccharification

由圖3可知，隨著52℃糖化保溫時間在30～50min范圍內延長，麥汁浸出物得率呈現(xiàn)一定的增長趨勢，在52℃糖化保溫時間為40min時，麥汁浸出物得率出現(xiàn)峰值，為78.04%。在糖化保溫時間＞40m in之后，麥汁浸出物得率基本保持不變。并且通過單因素方差分析可知，52℃糖化保溫時間為30m in、35min、40min之間有極顯著差異（P＜0.01），糖化保溫時間為40min、45min、50min時，結果差異不顯著（P＞0.05），但與糖化保溫時間為30m in、35m in、40m in之間差異極顯著（P＜0.01）。當52℃糖化保溫時間較短時，糖化不完全，在一定范圍內隨著52℃糖化保溫時間的延長，酶的不斷催化，浸出物收得率逐漸升高。但是在糖化時間超過40min后，糖化基本完全，結果無明顯變化。因此，從節(jié)約成本等方面考慮，在52℃糖化保溫最適時間為40min。

2.1.4 65℃糖化時間對麥汁糖化效果的影響

圖4 65℃糖化保溫時間對糖化效果的影響Fig.4 Effect of saccharification time at 65℃on saccharification

由圖4可知，隨著65℃糖化保溫時間在40～80min范圍內延長，麥汁浸出物得率呈現(xiàn)一定的增長趨勢，在65℃糖化保溫時間為60m in時麥汁浸出物得率出現(xiàn)峰值，為78.15%。在糖化保溫時間＞60min之后，得率基本保持不變。并且通過單因素方差分析可知，65℃糖化保溫時間為40m in、50min、60min之間差異極顯著（P＜0.01），與糖化保溫時間為60m in、70m in、80m in之間差異極顯著（P＜0.01）。當65℃糖化保溫時間較短時，糖化不完全，在一定范圍內隨著65℃糖化保溫時間的延長，原料中的大分子物質被不斷降解，浸出物得率逐漸升高。但是在糖化時間超過60min后，糖化基本完全，結果無明顯變化。因此，從節(jié)約成本等方面考慮，65℃糖化保溫最適時間為60m in。

2.2 麥汁糖化工藝響應面優(yōu)化試驗結果

根據(jù)單因素試驗結果，以麥汁浸出物得率（Y）為響應值，選取小麥芽添加量（X1）、水料比（X2）、52 ℃糖化時間（X3）、65℃糖化時間（X4）4個因素進行響應面試驗優(yōu)化糖化工藝選取4因素3水平的Box-Behnken試驗，試驗設計結果見表2，方差分析見表3。

表2 麥汁糖化工藝優(yōu)化Box-Behnben試驗設計及結果Table 2 Design and results of Box-Behnken experiments for wortm ashing technology optim ization

通過Design Expert8.0.6軟件對27組試驗的響應值進行回歸分析，并進行回歸方程擬合，得到各試驗因子對響應值影響的多元二次回歸方程：

表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression model

由表3可知，模型P＜0.000 1，說明回歸模型效果極顯著[20]。模型失擬項P值為8.49＞0.05，說明失擬項不顯著，說明模型比較穩(wěn)定，擬合良好，誤差小。決定系數(shù)R2=0.983 7，校正決定系數(shù)R2Adj=0.967 8，表明模型可以解釋試驗96.78%的響應值變化。一次項A、B、C、D、交互項AB、二次項A2、B2、C2對結果影響極顯著（P＜0.01），交互項BC、CD對結果影響顯著（P＜0.05）。

通過Design Expert8.0.6軟件分別作出小麥芽添加量與水料比，水料比與52℃糖化保溫時間，52℃糖化保溫時間與65℃糖化保溫時間交互作用的響應曲面及等高線圖，結果見圖5。由圖5可知，曲面圖越陡表示交互作用越強，曲面圖越平表示交互作用越弱。

通過Design Expert8.0.6軟件分析得到最佳糖化工藝條件為小麥芽添加量42.0%、水料比為4.00∶1（m L∶g）、52 ℃糖化時間44.5min、65℃糖化保溫時間67.7min，麥汁浸出物得率理論預測值為79.99%。結合試驗實際情況，最終選擇小麥芽添加量42.0%、水料比為4.00∶1（m L∶g）、52 ℃糖化時間45m in、65℃糖化保溫時間68m in。為了驗證模型的準確性，采取優(yōu)化后的糖化條件做驗證試驗，設3次平行，麥汁浸出物得率實際平均值為79.63%，與理論預測值基本一致。

圖5 小麥芽添加量、水料比、52℃糖化保溫時間與65℃糖化保溫時間交互作用對麥汁浸出物得率影響的響應面及等高線Fig.5 Response surface plots and contour lines of effects of interaction between wheatmalt addition,water to material ratio,saccharification time at 52℃ and 65℃ on wort extract yield

3 結論

本研究主要對麥汁糖化工藝進行優(yōu)化，首先通過單因素試驗研究了小麥芽添加量、水料比、52℃糖化保溫時間和65℃糖化保溫時間對麥汁浸出物得率的影響，選取較優(yōu)條件范圍。在單因素試驗的基礎上，設計響應面試驗，以麥汁浸出物得率為評價指標，優(yōu)化糖化條件為小麥芽添加量42.0%、水料比4.00∶1（m L∶g）、52 ℃糖化保溫時間45m in、65℃糖化保溫時間68min。此優(yōu)化條件下，麥汁浸出物得率為79.63%，α-氨基酸態(tài)氮含量為272.01mg/L。還原糖含量9.14 g/100m L，可溶性氮含量1.41 g/L。本研究可對企業(yè)的實際生產提供理論依據(jù)。