（发酵工程专业论文）小麦在啤酒酿造中的应用研究.pdf

摘要 摘要 近年来，受全球性啤酒大麦短缺的直接影响，大麦麦芽的价格一路攀升。本论文针 对目前啤酒原料短缺的现状，采用小麦替代部分大麦麦芽牛产淡爽啤酒，对酿造的各个 工艺环节进行了研究，从小麦品种的选择、糖化过程中酶的添加、原料配比、煮沸工艺 以及非生物稳定性处理等方面进行了较系统的探讨。 本文以不同种植区域的1 2 种典型小麦为研究对象，考察了对啤酒酿造有重要影响 的指标如：戊聚糖含量、蛋白质含量及其组成、浸出物含量、缓冲能力和抗氧化力等， 利用模糊评价法对1 2 个小麦样品进行评价分组，结果表明：n o 6 和n o 1 0 小麦较适用 于啤酒酿造。 通过单因素试验筛选出对糖化麦汁质量指标影响较大的3 种外加酶制剂，即：细菌 中性蛋白酶、糖化酶和中性木聚糖酶。在此基础上，采用b o x b e h n k e n 实验设计对上述 3 种酶的添加量水平进一步优化。确定了酶的最佳添加量为：细菌中性蛋白酶3 0 0u g 小麦、糖化酶2 9 2u g 小麦、中性木聚糖酶6u g 小麦。实验证明：与不加酶制剂的糖 化麦汁相比，麦汁粘度降低了2 5 ，麦汁得率和仅氨基氮含量分别提高了2 0 和7 0 。 研究了不同小麦使用比例对麦汁质量、啤酒理化指标及风味的影响，当小麦使用比 例从1 0 增加到3 0 时，麦汁和啤酒质量变化较小，当小麦使用比例达到4 0 时，a 氨基氮和总多酚含量明显偏低，高分子氮含量显著增大，由此表明4 0 的大麦麦芽、3 0 小麦和3 0 大米的原料配比比较合适。研究了煮沸过程中煮沸时间、卡拉胶和糖化单宁 添加量对麦汁高分子氮含量的影响，并确定了麦汁高分子氮含量最低时的煮沸参数，即： 煮沸时间为8 3 4m i n 、卡拉胶添加量为3 2 0 3m g l 、糖化单宁添加量为5 2 6 4m g l 。 对啤酒非生物稳定性处理方法进行了研究，比较了硅胶、酿造单宁和木瓜蛋白酶三 种非生物稳定剂对s a s p l 值和隆丁区分的影响，结果表明：硅胶和木瓜蛋白酶对啤酒 非生物稳定性的效果较为明显，但后者对啤酒泡沫有消极影响，并造成总酸值增大，故 采用硅胶吸附的方法，硅胶添加量为3 0 0m g l 。为了验证生产工艺可行性，使用小麦部 分替代大麦麦芽进行e b c 发酵。结果表明：添加3 0 小麦酿造啤酒与对照相比，麦汁 和啤酒各项质量指标相差不大，发酵过程正常。每千升酒生产原料成本可降低6 5 元， 经济效益十分明显。 关键词：啤酒；酿造；小麦；品种；原料配比；酶；非生物稳定性 a b s t r a c t ab s t r a c t r e c e n t l y , t h ep r i c eo fb a r l e ym a l th a sb e e nr a i s e ds h a r p l y , b e c a u s eo ft h es h o r t a g eo f b r e w i n gb a r l e yi nt h eg l o b a l i nt h i sp a p e r , w h e a tw a su s e da st h er a wm a t e r i a lo fl i g h tb e e r b r e w i n gi n s t e a do fs o m eb a r l e ym a l t i tw a ss t u d i e df o rt h ew h o l eb e e rb r e w i n g ，i n c l u d i n g w h e a tv a r i e t ys e l e c t i o n ，a d d i t i o ne n z y m e sd u r i n gm a s h i n g ，r a wm a t e r i a lr a t i o ，b o i l i n gp r o c e s s a n dn o n b i o l o g i c a ls t a b i l i t yt r e a t m e n to f g r e e nb e e r t w e l v et y p i c a lw h e a tv a r i e t i e sg r o w ni nd i v e r s el o c a t i o n sw e r es t u d i e di n t h i sp a p e r f i r s t l y , s o m ei n d i c e s ，s u c ha sp e n t o s a nc o n t e n t ，p r o t e i nc o n t e n ta n di t sc o m p o s i t i o n ，e x t r a c t c o n t e n t ，b u f f e rc a p a c i t ya n da n t i o x i d a n ta c t i v i t y ，w h i c hw o u l dh a v es i g n i f i c a n te f f e c t so nb e e r b r e w i n gw e r ee x a m i n e da n dc o m p a r e d f u r t h e r m o r e ，t h ep r o p e rw h e a tv 撕e t i e sf o rb e e r b r e w i n gw e r es e l e c t e db yf u z z ye v a l u a t i o nm e t h o dt h a ts y n t h e t i c a l l ye v a l u a t et h e i rb r e w i n g p r o p e r t i e s t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t t h en o 6a n dn o 10w h e a tv a r i e t i e sw e r es u i t a b l ef o r b e e rb r e w i n g s i n g l ef a c t o rt r i a l sw a se m p l o y e dt of i n dt h ei m p o r t a n te n z y m e sa f f e c t i n gw o r tq u a l i t y i n d i c e s ，w h i c hw e r eb a c i l l u sn e u t r a lp r o t e a s e ，a m y l o g l u c o s i d a s ea n dn e u t r a lx y l a n a s e ， r e s p e c t i v e l yb o x - b e h n k e ne x p e r i m e n t a ld e s i g nw a sf u r t h e ru s e dt oo p t i m i z et h el e v e l so f a b o v et h r e ef a c t o r s t h eo p t i m a ld o s a g eo fe n z y m e sf o rb e t t e rw o r tq u a l i t yd u r i n gm a s h i n g w e r ea sf o l l o w s ，b a c i l l u sn e u t r a lp r o t e a s e3 0 0u g ，a m y l o g l u c o s i d a s e2 9 2u g ，a n dn e u t r a l x y l a n a s e6u 儋v e r i f i c a t i o nt e s t ss h o w e dt h a tw o r tv i s c o s i t yh a dd e c r e a s e d2 5 w o r tg a i n r a t i oa n df l e ea m i n on i t r o g e nh a di n c r e a s e d2 0 a n d7 0 r e s p e c t i v e l y , c o m p a r e dw i t h c o n t r 0 1 t h ei n f l u e n c eo fw o r tp h y s i c o c h e m i c a li n d i c e s b e e rq u a l i t ya n df l a v o rv o l a t i l i e sd u e t o v a r y i n gr a wm a t e r i a lr a t i ow a ss t u d i e d w h e nt h ep r o p o r t i o no fw h e a ti n c r e a s e df r o m10 t o 3 0 ，t h ec h a n g e so fw o r ta n db e e rq u a l i t yw e r ei n s i g n i f i c a n t w h i l ei tw a su pt o4 0 ，t h e c o n t e n t so ff r e ea m i n on i t r o g e na n dt o t a lp o l y p h e n o lw e r eo nt h el o wl e v e l ，a n dt h eh i g l l m o l e c u l a rw e i g h tn i t r o g e nc o n t e n tw a sr e m a r k a b l yi n c r e a s e d t h ea b o v er e s u l t ss h o w e dt h a ti t w a sa p p r o p r i a t ef o rr a wm a t e r i a lc o n s i s to f4 0 b a r l e ym a l t 3 0 w h e a ta n d3 0 r i c e i n o r d e rt oi n v e s t i g a t ee f f e c t so f b o i l i n gt i m e ，d o s a g eo fc a r r a g e e n a na n dm a s h i n gt a n n i no nh i g h m o l e c u l a rw e i g h tn i t r o g e nc o n t e n to fw o r t ，t h eo p t i m a lb o i l i n gp a r a m e t e r sf o rl o w e rc o n t e n t o fh i g hm o l e c u l a rw e i g h tn i t r o g e no fw o r tw e r eo b t a i n e db yc a n o n i c a la n a l y s i s n a m e l y b o i l i n gt i m ew a s8 3 4m i n ，d o s a g eo fc a r r a g e e n a na n dm a s h i n gt a n n i nw e r e3 2 0 3m g la n d 5 2 6 4m g lr e s p e c t i v e l y i no r d e rt oi n v e s t i g a t ep r o c e s s i n gm e t h o d so nb e e rn o n b i o l o g ys t a b i l i t y , e f f e c t so fs i l i c a g e l ，b r e w i n gt a n n i na n dp a p a i no ns a s p lv a l u ea n dn i t r o g e nc o m p o n e n to fb e e r sw e r e s t u d i e d i tw a si n d i c a t e dt h a t ，t h eb e e rn o n b i o l o g ys t a b i l i t yw a si n f l u e n c e do b v i o u s l yb y s i l i c ag e la n dp a p a i n b u tt h el a t t e rh a dt h en e g a t i v ee f f e c to nb e e rf o a m ，w h i c hr e s u l t e di n h i 曲c o n t e n to ft o t a la c i d t h e r e f o r e ，s i l i c ag e lw a sc h o s e nw i t ha d d i t i o no f3 0 0m g l f o r e x a m i n i n gf e a s i b i l i t yo ft e c h n i q u ef o rp r o d u c t i o n ，e b cf e r m e n t a t i o nt e s tw a sc a r r i e do u tb y u s i n gw h e a tp a r t l ys u b s t i t u t i n gb a r l e ym a l t t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h eq u a l i t yo fw o r ta n d f i n a lb e e rm a d eb y3 0 w h e a tw a sa ss a m ea st h ec o n t r o lb e e r , a n dt h ef e r m e n t a t i o np r o c e s s i l i a b s t r a c t w a sn o r m a l t h ec o s to fr a wm a t e r i a lw a sd e c r e a s e db y6 5y u a np e rk lb e e r k e y w o r d s ：b e e r ；b r e w i n g ；w h e a t ；v a r i e t y ；r a wm a t e r i a lr a t i o ；e n z y m e ；n o n - b i o l o g ys t a b i l i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签 名：选盈丝 日 期： 逊：墨望 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签名： 匾金垒 导师签名： ! 已圭：! 匕 e l 期： 型鱼：匿：遮 第一章绪论 第一章绪论 1 1 国内外啤酒原料生产现状 啤酒已经成为人们重要的日常消费饮品，由于它所具有的营养价值、低酒精度、适 宜饮用人群广泛等特点，其消费量与日俱增。自2 0 0 2 年起，我国的啤酒产量连续五年 稳居世界首位，2 0 0 7 年我国啤酒的年产量超过3 9 0 0 万千升。随着人民生活水平的不断 提高，我国的啤酒工业仍然有很大的发展空间。 大麦是啤酒生产的主要原料，对啤酒的质量有直接的影响。近年来，世界啤酒大麦 最大的供应国澳大利亚由于出现罕见的干旱气候，2 0 0 6 2 0 0 7 年度澳大利亚大麦产量从 上年度的9 9 0 万吨急剧减少到了3 7 0 万吨【。不仅仅是澳大利亚，加拿大也出现啤酒大 麦出口增长乏力现象。据了解，在加拿大国内，饲料大麦的价格甚至高于啤酒大麦的销 售价格，从而导致不少种植户将原计划当成啤酒大麦出售的大麦卖给饲料生产商，此举 直接导致加拿大的啤酒大麦出口项目难以扩张。澳大利亚和加拿大是中国最大的啤酒大 麦进口国，二者占据了中国啤酒大麦进口量的9 0 左右【2 1 。 在国际大麦进口锐减的同时，中国啤酒行业对大麦的需求却在增加。经过连番的并 购、扩张，中国啤酒行业已经连续多年维持高速发展，并成为世界上最大的啤酒大麦进 口国。目前中国啤酒行业发展增速仍高达1 5 。然而，对啤酒大麦需求巨大的中国却并 非大麦的种植大国。因此，绝大部分啤酒大麦都需要从澳大利亚、加拿大和法国等国家 进口。由于受到全球性啤酒原料短缺的影响，啤酒、麦芽企业纷纷将以往分批采购的计 划全部集中提前采购，导致国内各大主产区的国产啤酒大麦在短时间内被抢购一空。大 麦麦芽的价格一路攀升，目前国产大麦麦芽已经从以往不到3 0 0 0 元吨涨到接近5 0 0 0 元吨，进口大麦麦芽从3 4 0 0 元吨3 6 0 0 元吨涨到6 0 0 0 元吨一6 2 0 0 元吨p j 。 许多麦芽、啤酒企业已经处于缺“米”下锅的尴尬局面，看着飙升的麦芽价格只能望 洋兴叹。目前，各地啤酒企业正在积极寻找对策，应对全球性啤酒原料短缺所带来的严 峻挑战，其中最为现实的解决方案就是寻求替代品来补充大麦麦芽的短缺【4 】。小麦具有 作为啤酒酿造原料的基本因素，且某些特性优于大麦，在啤酒酿造中，可以使用小麦作 辅料来降低成本，并且在国外以小麦作辅料和作为主要原料的小麦啤酒的研制都有很长 的历史。只要充分挖掘国产小麦的生产潜力，完全可以填补啤酒大麦所形成的空缺，有 效解决啤酒企业普遍面临的原料短缺的燃眉之急。 1 2 小麦应用于啤酒酿造概况 在众多的辅料中，小麦是世界四大农作物之一，分布较广，品种较多，经济价值较 高。同时，小麦还具有作为啤滔酿造原料的基本因素，富含蛋白质，能赋予啤酒丰富的 泡沫和营养，因此受到人们普遍青睐。使用小麦或小麦麦芽酿制的啤酒营养丰富、热量 高，富含各种矿物质、维生素、有机酸等营养成分，口味独特，符合啤酒的发展潮流， 应用前景广阔。 江南大学硕上宁位论文 1 2 1 酿造用小麦品种的选择 小麦的种类f 5 】： ( 1 ) 按播种季节分，可分为冬小麦和春小麦两种，我国以冬小麦为主。 ( 2 ) 按皮色的不同，可分为白皮小麦与红皮小麦两种。白皮小麦呈黄色或乳白色， 皮薄，出粉率较高；红皮小麦呈深红色或红褐色，皮较厚，出粉率较低。 ( 3 ) 按籽粒胚乳结构呈角质或粉质的多少，可分为硬质小麦和软质小麦。角质，又 叫玻璃质，其胚乳结构紧密，呈半透明状；粉质胚乳疏松，呈石膏状。含粉质粒7 0 以 上的小麦称为软质小麦。 n a r z i b 和h a u b l e r 推荐小麦指标【6 】：酿造用小麦要饱满，发芽力强，无病害；蛋白 质含量要低，不超过1 3 ；水分含量大约5 ：无水浸出物8 3 5 - - - 8 6 ；蛋白质溶解度 3 6 0 旷4 0 ；粘度低于1 6 5c p ；色度低于4e b c ，煮沸色度低于6e b c ，晟终发酵度高于 8 0 。 实际上，能够同时满足以上条件的小麦品种并不多，多数情况下只能依据生产情况 综合考虑，以选择适宜的品种。国外研究认为【7 】，蛋白质含量相对较低的冬小麦比蛋白 质含量较高的春小麦更适于啤酒酿造。也有人指出峭j ，就国内小麦品种而言，相同品种 生长地域纬度越高，小麦蛋白质含量越高，所以宜选用南方地区的冬小麦、软质白小麦 作为原料。p o m e m a z 的研究表明【9 】，软质白小麦最适合啤酒的酿造，其余依次为软质红 皮冬麦、硬质红皮冬麦、硬质红皮春麦。我国目前对于啤酒小麦选育的研究几乎仍是空 白，虽然已经有企业生产小麦麦芽或小麦啤酒，但在品种选择上大多存在很强的随意性 和盲目性。 1 2 2 小麦在啤酒酿造中的使用方式 啤酒酿造过程中使用小麦的方式主要有以下几种 1o 】： ( 1 ) 小麦经发芽制成溶解良好的小麦麦芽，以小麦麦芽为丰要原料酿制啤酒( 一般小 麦麦芽占5 0 以上) 。如以前我国烟台啤酒厂生产的白啤酒就是以小麦麦芽为丰要原料 酿制的。 ( 2 ) 小麦经发芽制成小麦麦芽，以小麦麦芽为辅料酿制的啤酒，如西德的k o l s c h b i e r 和a l t b i e r 就是以1 0 - , - 3 0 d x 麦麦芽为辅料酿制的啤酒。 ( 3 ) 小麦麦芽作为一种改良剂在以大麦麦芽为主的啤酒酿造中掺入5 1 5 ，以提 高啤酒的醇厚感和泡持性。日本k i r i n 公司采用小麦麦芽为辅料，缩短了糖化时间，改 善了啤酒的泡持性，提高了啤酒的发酵度，增加了非牛物稳定性。 ( 4 ) 小麦经酶制剂处理制成小麦糖浆直接用于煮沸锅。 ( 5 ) 小麦不经发芽或酶制剂处理，直接用于啤酒酿造。如传统的比利时l a m b i c 啤酒， 就是以4 0 d 、麦和6 0 大麦麦芽经糖化发酵酿制而成的，其成品啤酒独具芳香，酸味突 出( p h3 2 - 3 5 ) 。 小麦作辅料使用主要有以下三种形式： 第一，制成特制小麦粉( w h e a tf l o u r ) ，其蛋白质含量低( 7 左右) ，提供较高的浸出 物同时对啤酒泡持性，货架期( s h e l f - l i f e ) 以及非生物稳定性等均有促进。 第二，以整小麦粉碎直接用于酿造，粉碎度不定。 第三，小麦麸皮直接和大麦麦芽粉混合糖化，提供少量浸出物，但能延长啤酒的泡 持性。1 9 7 7 年，美国加利福尼亚大学食品工艺的k o s z y k 和l e w i s 研究用小麦辅料时指 出，小麦具有与大麦麦芽相同或较高的糖化和蛋白酶活力，但不能像麦芽那样提供充足 的氨基酸，氨基酸含量只为大麦麦芽的一半。 本论文中小麦是以辅料形式添加，酿造目标是普通淡爽型啤酒而并非小麦啤酒。另 外，小麦未经过发芽，直接应用于啤酒酿造，与小麦麦芽相比区别在于：第一，小麦麦 芽经过发芽阶段，酶的产生和蛋白质溶解都优于小麦，本文期望通过糖化过程中j , i , d l ：i 酶 来弥补此不足；第二，使用未发芽小麦，省去了繁琐的制麦过程，节约成本，使用便捷。 1 2 3 使用小麦酿造啤酒的优缺点 小麦品种多，富含蛋白质和淀粉，是良好的啤酒酿造原料。用于酿造啤酒的小麦与 生产传统啤酒的丰要原料大麦麦芽相比，有其独特的优势，主要表现在 1 1 1 2 】：首先，采 用小麦作为原料可以节约成本而且原料易采购，如与大麦麦芽搭配使用，能起到提高啤 酒质量，降低原料成本，缓解大麦麦芽紧张的作用；其次，小麦中糖蛋白含量高，从而 有利于啤酒的泡沫性能；另外，小麦无皮壳，浸出物含量较高，可以节约原料、降低成 本；最后，小麦单宁含量低，仅为大麦麦芽的3 0 - 5 0 ，从这个方面讲有利于啤酒的 胶体和风味稳定性。 小麦作为啤酒原料除具有上述优点之外，因其固有性质还存在不利的特性【1 3 , 1 4 】：其 一，小麦属裸麦，在麦汁过滤时非但不能形成滤层，它具有细泥状物反而会填塞过滤层， 所以它或多或少的给麦汁过滤造成不利的影响。其二，小麦较大麦麦芽蛋白质含量高， 而且小麦中蛋白质通常以高分子形式存在，这就会给啤酒的胶体稳定性带来麻烦。其三， 小麦中戊聚糖含量较高，糖化过程中若分解不完全容易造成麦汁或啤酒粘度高、过滤困 难。其四，小麦直接作辅料没有经过发芽阶段，酶的产牛和蛋白质的溶解欠佳，a 氨基 氮含量常常较低。 1 2 4 小麦作为啤酒酿造原料的主要品质特征 ( 1 ) 淀粉 小麦中淀粉含量随品种、产地和栽培条件等因素的不同而存在着差异。一般认为在 谷物中它仪次于大米而稍高于大麦，小麦浸出物含量则高于大麦而低于大米。 表1 - 1小麦和大麦淀粉的生化栉 生比较 t a b 1 1c o m p a r i s o nb e t w e e nb i o c h e m i s t r yc h a r a c t e r i s t i co f w h e a ts t a r c ha n db a r l e ys t a r c h 小麦中淀粉含量占干物质7 0 8 0 ，比大麦低，小麦中含有较多小的淀粉颗粒， 而大麦中都是3 5p m 4 0p m 的大颗粒，小麦的糊化温度仅为5 4 c - - 6 2 c ，明显低于大麦 江南大学硕士学位论文 ( 7 0 8 0 。c ) 和大米( 6 8 7 8 。c ) ，因此小麦用作辅料时可以不经过单独糊化而直接与麦 芽混合进行糖化【9 】。 ( 2 ) 蛋白质 小麦的蛋白质含量通常高于大米和大麦，这对啤酒的酿造有着重要的影响。其不利 之处主要表现为：随蛋白质的增加，麦粒中淀粉的含量一般会相应降低，从而影响了麦 汁得率：随蛋白质的增加，玻璃质及半玻璃质胚乳的比例也越高，这两种胚乳难以溶解， 一般是不宜用于啤酒酿造的；w a n g 等人研究发现【l6 1 ，小麦蛋白质的组成与其他谷物有 所不同，其中醇溶蛋白和谷蛋白的含量较高，达8 0 0 o 9 0 ，而且随蛋白质含量升高， 这两种蛋白质所占比例也会增加，但它们难以溶解，容易导致麦汁过滤困难，并严重影 响啤酒的非生物稳定性。吴俊英等人研究证实【l7 | ，将小麦用作啤酒辅料时，其未溶解的 蛋白质是导致麦汁过滤缓慢的丰要原因。 一般认为，小麦用于啤酒酿造的丰要优点在于能有效改善产品的泡沫性能，其机制 较为复杂，与小麦中的蛋白质含量与构成直接相关。l e a c h 等人研究认为【l 引，掺用小麦 的啤酒中高分子氮的比例远超过对照，而泡沫的稳定性也明显得到改善。此外，近年来 的研究证实，蛋白质含量与小麦的发芽力以及发芽过程中所形成的p 淀粉酶及蛋白酶活 力呈显著的正相关性，因此小麦麦芽的糖化力和o r , 氨基氮水平普遍高出大麦麦芽 1 0 3 0 ，这对于啤酒酿造无疑也是非常有利的。 ( 3 ) 非淀粉多糖 小麦中的戊聚糖和d 葡聚糖具有比较重要的意义，因为它们与麦汁的粘度和过滤性 能有关，特别是前者。大麦麦芽中非淀粉质多糖( n o n s t a r c hp o l y s a c c h a r i d e s ，简称为n s p ) 主要由p 葡聚糖组成，而小麦n s p 主要由阿拉伯木聚糖组成，因此当小麦或小麦麦芽代 替辅料和麦芽时，由阿拉伯木聚糖引起的酿造问题如麦汁粘度增加，浸出率降低，过滤 困难等问题将尤为突出。d e b y s e r 等人【l9 】认为不仪是小麦麦芽中含有更多的水溶性阿拉 伯木聚糖，而且是因为小麦麦芽中阿拉伯木聚糖的分子量要高于大麦麦芽中的分子量， 导致麦汁粘度升高，过滤速度减慢。此外，2 0 0 0 年后，在谷物科学领域发现小麦中广泛 存在t a x i i 和t a x i i i 型的内切木聚糖酶抑制蛋白【2 0 j ，这些抑制蛋白的存在能够部分 或者完全抑制大麦麦芽中的内切木聚糖酶，使得麦芽中的内切木聚糖酶在糖化初始阶段 不能降解阿拉伯木聚糖，这进一步加剧了由于阿拉伯木聚糖的溶解引起的酿造问题。 1 3 应用小麦生产啤酒控制难点及关键技术 小麦与大麦组分的不同，对酿造过程的影响较大，表1 2 为小麦与啤酒大麦化学成 分上的显著区别。 表1 - 2 小麦与大麦主要化学成分区别 t a b 1 - 2d i f f e r e n c eo fc h e m i s t r yc o m p o n e n t sb e t w e e nw h e a ta n db a r l e y 4 第苹绪论 从表1 2 可以看出，小麦中蛋白质含量要高于大麦，且小麦的醇溶蛋白和谷蛋白等 高分子蛋白质比大麦高得多，同时小麦中戊聚糖含量高于大麦中的含量。这样将会给生 产带来两方面的问题，一是由蛋白质引起的啤酒的非牛物稳定性；二是由戊聚糖引起的 麦汁过滤困难。 1 3 1 蛋白质引起的啤酒非生物稳定性 啤酒的非生物稳定性是指不是由微生物污染而产生的混浊沉淀现象的可能性。啤酒 的非生物混浊主要是由蛋白质和多酚形成的。 一般认为，啤酒贮存过程中经f e n t o n 反应和h a b e r - w e i s s 反应产生自由基【2 1 1 ，其诱 导原花色素等产牛氧化产物，而氧化物对蛋白质有很大亲和性，形成冷混浊；冷混浊进 一步氧化生成永久性混浊。 ( 1 ) h a r t o n g 最先提出，c h a p o n 和l u c i e n 等经试验研究后得出一p t 平衡可逆模式【2 2 】： 单宁+ 蛋白质暑【单宁m 蛋白质】= 【单宁n 蛋白质】 可涪可溶可溶不可溶 c h a p o n 等对1 0 0 多种不同来源的啤酒进行分析后证实这一假设推论的正确性，啤 酒中存在这一平衡，很好地解释了冷混浊的产生，对人们处理非生物稳定性问题提供了 理论依据。由于平衡是可逆的，酿造人员可以通过去除蛋白质或单宁使反应向左进行， 提高混浊稳定性。 ( 2 ) s i e b e r t 等建立的反应模型： 1 9 9 2 年，s i e b e r t 等建立了一个蛋白质与多酚反应的模型，见图1 1 。该模型假设只 有富含脯氨酸的蛋白质才能产生冷混浊，且这种蛋白质内含固定数量的多酚结合位点； 另外假设一个多酚分子含有两个或更多个“末端”，专一地与蛋白质上的结合位点反应， 这样多酚分子在蛋白质之间连接成桥。当啤酒中混浊活性蛋白和混浊活性多酚达到一定 量时，两者不断交联形成网状大分子颗粒，外观表现为混浊。 官合脯氨酸的结合位点 蛋白质 脯氨酸识别位点 多酚 图1 - 1s i e b e r t 的蛋白质与多酚反应模型 f i g 1 1s i e b e r t sm o d e lf o rp r o t e i n - p o l y p h e n o li n t e r a c t i o ni nb e e r ( 3 ) h a s l a m 等人提出蛋白质与多酚的反应模式【2 4 】 h a s l a r n 等在研究桔酸酯类多酚反应规律后提出疏水反应理论，见图1 2 。蛋白质与 多酚的沉淀可认为是一个表面现象，首先多酚在蛋白质表面结合形成单分子疏水层，然 江南大学硕士学位论文 后在蛋白质分子之间形成多点交联，最终导致沉淀。并且高的多酚沉淀率出现在低蛋白 浓度时，而蛋白浓度较高时，多酚沉淀率反而降低了。 袋奄 刁 u 众 图1 - 2h a s l a m 的蛋白质与多酚反应模型 f i g 1 2h a s l a m sm o d e lf o rp r o t e i n p o l y p h e n o li n t e r a c t i o ni nb e e r 蛋白质是啤酒中冷混浊形成的主要前驱物质之一。美国科学家认为，混浊活性蛋白 质( h a z e - a c t i v ep r o t e i n ，简称为h a ) 与混浊活性多酚之比影响着混浊强度和混浊颗粒的大 小。啤酒中的混浊活性蛋白主要来自于谷物中的醇溶蛋白 2 5 】。n u m m i 认为由谷物中清 蛋白和球蛋白分解得到的酸性蛋白质，有很强的形成混浊的能力。而p o t t e r 发现分子量 大于6 万的高肽形成混浊的能力较弱。氨基酸角度分析认为醇溶蛋白参与冷混浊的形成， 而从免疫学研究发现清蛋白和球蛋白是啤酒冷混浊的成因之一。a s a n o 经仔细研究后得 到结论：大部分的敏感蛋白来自含量相当丰富的醇溶蛋白，当然也不是绝对的，在一些 醇溶蛋白的衍生物中清蛋白和球蛋白也会参与形成敏感蛋白【1 0 j 。 1 3 2 小麦中非淀粉多糖对麦汁制备过程的影响 小麦中含有的戊聚糖和p 葡聚糖是影响麦汁过滤的主要因素。与大麦中的p 葡聚糖 不同的是，小麦中的d 葡聚糖几乎全部是水溶性的，这是因为小麦d 一葡聚糖的结构中 p 1 ，3 键的数量较多，从而改变- ；9 1 ，4 键的丰链结构，阻止了丰链间的相互接近，提高 了水溶性，但对粘度的影响也越大。生产中，水溶性的p 葡聚糖与体系中的水进行水化 反应，6 葡聚糖进一步吸水、膨胀，同时其空间结构发生扭转、叠加，这种空间结构的 变化引起了体系粘度的急剧上升，并且随着d 葡聚糖分子量的递增，空间结构的变化越 剧烈。因此，小麦中高分子量的d 一葡聚糖是导致麦汁难以过滤的一个因素。 小麦中的戊聚糖含量比p 一葡聚糖含量高并且具有非常特殊的组成。小麦戊聚糖是以 d d 一呋喃木糖残基经p 1 ，4 糖苷键相连接而成的木聚糖为主链，以仪l 呋喃阿拉伯糖为侧 链的杂合多聚糖，其中，d d 木糖残基可在c 2 和c 3 位被a l 一呋喃阿拉伯糖单独取代， 也可在c 2 和c 3 位同时被a l 呋喃阿拉伯糖双取代。侧链数的多少和木聚糖丰链长短的 改变，对麦汁粘度的影响也产牛差异【26 1 。小麦中的戊聚糖分布于籽粒的不同部位，并且 含量也有差别，如表1 3 所示。 6 第一。章绪论 这些不同结构的多聚糖聚合在一起，增加了小麦的非淀粉多聚糖的复杂性，在实际 生产中，处理难度较大。如果在麦f l - $ i j 备过程中随温度升高糖化麦汁中戊聚糖转化为热 水可溶性戊聚糖，其对体系所形成的粘度将远远大于正常浓度下淀粉水解液的粘度，使 得过滤异常闲难。 1 4 立题背景与意义 随着我国啤酒工业的健康稳步发展，原料紧缺的问题愈来愈严重。尤其近年来原料 大麦在世界范围内出现紧缺，大麦和大麦麦芽的价格一路攀升。目前，国内各啤酒企业 正在积极寻找对策，以应对全球性啤酒原料短缺所带来的严峻挑战，其中最为现实的解 决方案就是寻求替代品来补充大麦麦芽的短缺。 小麦是我国大面积种植的主要农作物，盛产于河南、山东等地，其总产量仅次于大 米而居粮食总产量的第二位，且价格相对稳定和便宜。用小麦部分替代大麦麦芽生产啤 酒则可以在一定程度上解决上述问题，而且小麦与大麦相比，价格便宜，种植面积广， 货源充足，以小麦作为原料还可以提高出酒率，大幅度降低牛产原料成本。 利用小麦部分替代大麦麦芽生产啤酒，一方面增加农民销售收入，提高小麦种植业、 麦芽工业、啤酒工业的经济效益，为国家多创利税。同时用小麦替代大麦麦芽酿制啤酒， 可以促进啤酒技术的发展，解决啤酒原料短缺的燃眉之急，降低啤酒生产原料成本，有 利于解决中国啤酒原料长期依赖进口的问题。 使用小麦其独特的优势：小麦是良好的啤酒原料，含有丰富的淀粉酶，糖化力大大 高于大麦麦芽；无皮壳，小麦淀粉易糊化，糖化浸出率高；糖蛋白含量高，酿出啤酒泡 沫优；单宁含量低，有利于啤酒的胶体和风味稳定性；可溶性氮多，有利于快速发酵。 添加小麦酿制的啤酒营养丰富、热量高，富含各种矿物质、维生素、有机酸等营养成分， 且啤酒风味独特，符合啤酒的发展潮流，应用前景广阔。 1 5 课题研究思路、主要内容和目标 本研究从小麦品种的筛选出发，以国内不同种植区域的1 2 种典型小麦为实验材料， 筛选出适合于酿造啤酒的小麦品种；进而选择相关的酶制剂用于糖化过程，并运用统计 学的思想综合考察外加酶对麦汁组分的影响，以解决蛋白质溶解和麦汁过滤问题；确定 最佳原料配比，在成品啤酒的风味变化不大的基础上，尽量增大小麦的使用比例以节约 生产原料成本；通过煮沸工艺优化及非生物稳定剂的添加，提高啤酒的非生物稳定性， 江南大学硕上学位论文 为今后产业化生产提供依据。 本课题的丰要研究内容包括： ( 1 ) 研究不同品种小麦戊聚糖含量、蛋白质含量、浸出物含量、缓冲能力和抗氧化 能力等指标，选择酿造性能较好的小麦为生产原料。 ( 2 ) 研究糖化过程中，外加酶制剂对麦汁质量( 粘度、a 一氨基氮、还原糖、总氮) 的 影响并确定其添加量。 ( 3 ) 研究不同小麦使用比例对麦汁成分、啤酒质量指标及风味的影响，兼顾啤酒风 味与原料成本，确定最佳原料配比，并调整煮沸工艺以获得高分子氮含量较低的麦汁。 ( 4 ) 对e b c 主发酵过程中各项指标进行跟踪分析，研究硅胶、酿造单宁和木瓜蛋白 酶提高非生物稳定性的效果，并进行原料成本核算。 通过本课题的系统研究，期望对未发芽小麦在啤酒领域的应用有一个较全面的了 解，达到所生产的啤酒淡爽风味基本不变的要求，最大限度地增加小麦使用比例，降低 生产原料成本，为缓解当今啤酒原料大麦严重短缺的现状提供新的思路。 第二章应用于啤酒酿造的小麦品种的筛选 第二章应用于啤酒酿造的小麦品种的筛选 2 1 前言 目前，无论直接使用小麦作辅料，还是利用小麦麦芽进行啤酒酿造均可节约原料成 本。在国外，有专门用于啤酒酿造的小麦品种，在我国，现有的小麦品种主要为加工面 粉所用，对小麦用于啤酒酿造方面的研究较少，啤酒企业选择小麦时缺乏标准，大部分 只注重种植区域而不分品种。 小麦固有的属性对啤酒酿造存在一些不利的影响2 7 ，2 8 】：首先，小麦蛋白质含量尤其 是醇溶蛋白和谷蛋白的含量较高，而且随小麦蛋白质含量升高，这两种蛋白质所占比例 也会增加【4 1 ，容易导致麦汁过滤网难，同时也影响啤酒的非生物稳定性2 9 1 。其次，小麦 中戊聚糖( 主要是阿拉伯木聚糖) 含量远远高于大麦中含量，它在糖化过程中形成的凝胶 可能是导致麦汁过滤困难的主要因素之一。另外，小麦的使用导致啤酒的p h 较低、口 感偏酸，缓冲能力下降【1 3 】。最后，多酚主要存在于谷皮，而小麦是裸麦，多酚含量较少， 这不仪影响啤酒的内源性抗氧化能力，同时蛋白质与多酚比例的变化影响混浊粒子的大 小和光散射【3 0 】。小麦品种是影响上述啤酒酿造特性指标的重要因素，因此为了提高使用 小麦后的啤酒的品质，筛选合适的小麦品种用于啤酒生产显得尤为必要。 本章研究了不同品种小麦感官指标和常规理化指标的差异，重点考察了小麦戊聚糖 含量、蛋白质含量、浸出物含量、缓冲能力和抗氧化能力等指标，最后利用模糊评价法 综合考察小麦的酿造性能，并对其进行分类，筛选出较为适宜的用于啤酒酿造的小麦品 种，为小麦在啤酒酿造行业的应用提供参考。 2 2 材料与方法 2 2 1 实验材料与试剂 1 2 种小麦样品收集于河南、山东、河北和山西等地，其中以河南的品种偏多。样品 如下：n o 1 ：山东泰安汶农5 号，n o 2 - 郑州豫麦2 8 号( 湿地小麦) ，n o 3 - 山西闻喜县 晋麦5 4 号，n o 4 ：山东德州鲁麦1 0 号，n o 5 ：河南郑农8 号( 旱地小麦) ，n o 6 - 河北 石家庄8 号小麦，n o 7 ：河南安早8 号，n o 8 ：河南周1 9 号，n o 9 ：河南科风，n o 1 0 一n o 1 2 ： 国内啤酒公司和麦芽公司所采用的小麦品种。 1 ，1 二苯基苦基苯肼( d p p h ) 和福林酚购自s i g m a 公司，木糖、间苯三酚等购自国药 集团上海化学试剂公司。 2 2 2 仪器设备 e b c 标准磨 凯氏自动定氮仪 u v 0 2 1 0 0 型紫外可见分光光度计 m e t t l e rt o l e d o 电子天平 德国b v u h l e r - m i a g 公司 美国f o s st e c a t o r 公司 上海尤尼柯仪器有限公司 梅特勒托利多上海仪器有限公司 9 江南大学硕士学位论文 h h s 型电热恒温水浴锅上海医疗器械五厂 p h s 一3 c 型精密p h 计 上海雷磁仪器厂 k q 3 2 0 0 d b 型数控超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司 台式低速离心机北京医用离心机厂 2 2 3 实验方法 ( 1 ) 常规指标的测定 外观、夹杂物、破损率、水分、千粒重、发芽力、发芽率、水敏感性、浸出物的测 定参考文献【3 l 】。 ( 2 ) 蛋白质含量及其组分的测定 蛋白质含量的测定：凯氏微量定氮法。 蛋白质组分的提取：累进提取法【4 】。取粉碎样品1 og ，于1 5m l 具塞离心管中。 水溶性蛋白质( 清蛋白) 提取：用1 0m l 蒸馏水振荡提取1 0m i n ，40 0 0r m i n 离心1 0m i n ， 取上清液，重复三次得水溶性蛋白质。盐溶性蛋白质( 球蛋白) 提取：用1 0m l o 5m o l l 氯 化钠溶液振荡提取1 0m i n ，40 0 0r m i n 离心1 0m i n ，取上清液，重复三次得盐溶性蛋白 质。醇溶蛋白提取：用1 0m l 7 5 酒精8 0 水浴提取5m i n ，然后振荡提取5m i n ，40 0 0 r m i n 离心1 0r a i n ，取上清液，重复三次得醇溶性蛋白质。碱溶性蛋白质( 谷蛋白) 提取： 用1 0 m l0 2 氢氧化钠溶液振荡提取1 0m i n ，40 0 0r m i n 离心1 0m i n ，取上清液，重复 三次得碱溶性蛋白质。 ( 3 ) 戊聚糖含量的测定 3 2 , 3 3 】 利用d o u g l a s 法测定小麦中戊聚糖：准确称取5m g 全小麦粉置于1 5m l 具塞试管 中，加水2m l ，再加入1 0m l 显色剂，沸水浴2 5m i n ，以2m l 蒸馏水代替样品做空白， 测定吸光度，根据标准曲线可得知小麦样品中戊聚糖的含量。实验结果以小麦中戊聚糖 所占质量百分比( ) 来表示。 ( 4 ) 缓冲能力的测定【3 4 】 取5 0g 左右小麦细粉于烧杯中，加4 0m l 蒸馏水，沸水浴3 0m i n ，离心取上清