超聲處理對(duì)大麥酒糟微觀結(jié)構(gòu)的影響

王 洋

（濰坊工程職業(yè)學(xué)院，山東青州 262500）

近年來，超聲波技術(shù)在天然活性成分提取和促進(jìn)傳質(zhì)方面有著廣泛的應(yīng)用，它是一種彈性波，穿透力強(qiáng)，能加快有效成分的轉(zhuǎn)移和提取，縮短提取時(shí)間，提高效率[1]。超聲波對(duì)底物蛋白酶解作用的效果主要是由于超聲波的物理機(jī)械作用及化學(xué)效應(yīng)，而這兩種作用主要體現(xiàn)在對(duì)酒糟的微觀結(jié)構(gòu)上[2,3]。在啤酒釀造中，選擇大麥為原料可以顯著地降低能耗及對(duì)環(huán)境的污染。但未發(fā)芽大麥顆粒堅(jiān)硬，韌性大，粉碎較困難，大麥內(nèi)容物不易溶解，麥汁浸出率低。前期筆者已經(jīng)研究了超聲輔助大麥啤酒糖化的工藝，得到了最佳的工藝參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，本文主要研究了超聲處理對(duì)大麥酒糟微觀結(jié)構(gòu)、納米力學(xué)性能的影響。通過研究能更好地了解超聲波技術(shù)對(duì)大麥酒糟結(jié)構(gòu)的影響，并將超聲波技術(shù)應(yīng)用于啤酒生產(chǎn)中，對(duì)大幅度降低生產(chǎn)成本有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 試驗(yàn)材料

大麥，由永順泰（昌樂）麥芽集團(tuán)有限公司提供。諾維信Ondea Pro酶，由諾維信中國(guó)生物技術(shù)有限公司提供。葡萄糖、木糖、果糖、麥芽糖等標(biāo)準(zhǔn)品，北京鼎國(guó)昌盛生物技術(shù)有限責(zé)任公司提供。其他試劑包括酒石酸鉀鈉、苯酚、純鉬酸鈉、硼酸、氫氧化鈉、甲醇、磷酸等，均為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.1.2 儀器與設(shè)備

多模式超聲波試驗(yàn)臺(tái)，江蘇大學(xué)自行研制；PHS-3C精密pH計(jì)，上海精密科學(xué)儀器有限公司；LD5-2A離心機(jī)，北京醫(yī)用離心機(jī)廠；JSM-64690LV掃描電鏡，日本電子公司；Nicolet IS50傅里葉變換紅外光譜儀，美國(guó)尼高力儀器公司；Multimode 8原子力顯微鏡，美國(guó)Bruker公司；Bruker ScanAsyst探針，美國(guó)Bruker公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 大麥酒糟的超聲處理

把粉碎好的大麥和水按1:4的比例進(jìn)行稱取，置于37℃水溶液中，攪拌混勻后，按照最佳的工藝參數(shù)進(jìn)行超聲波輔助處理，具體參數(shù)是超聲功率為831W、超聲處理時(shí)間為31min、水浴溫度為44.13℃。超聲處理結(jié)束后攪拌升溫至50℃，按照大麥質(zhì)量0.2%比例連續(xù)攪拌添加Ondea Pro酶，靜置50min；而后攪拌升溫至63℃，靜置50min；而后攪拌升溫至68℃，靜置60min；而后攪拌升溫至78℃，靜置20min，過濾得到酒糟。得到酒糟進(jìn)行冷凍干燥，微粉粉碎，烘干后，對(duì)樣品進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)的分析，探索超聲波對(duì)大麥內(nèi)容物破碎程度的影響。

1.2.2 掃描電子顯微鏡（SEM）分析

分別準(zhǔn)確稱量10mg最優(yōu)超聲輔助和未經(jīng)超聲輔助大麥啤酒糖化過濾得到酒糟，加入溴化鉀至3000mg，混合研磨均勻，壓制成薄片，用紅外光譜儀在400～4000cm-1范圍內(nèi)全波段掃描。

掃描條件為：掃描次數(shù)32次，分辨率為4cm-1。測(cè)定前先掃描溴化鉀背景光譜，酒糟和溴化鉀混合物的光譜扣除背景光譜后，即為酒糟的紅外光譜。

1.2.3 傅立葉紅外光譜分析

取適量（約1～2mg）被烘干的待測(cè)樣品放入瑪瑙研缽中，然后加入適量的KBr（約100mg，粒度200目）進(jìn)行稀釋，把經(jīng)稀釋過的樣品在紅外燈照射下研磨，磨成粉末狀為止。把研磨好的樣品粉末取適量裝入磨具內(nèi)，放入壓片機(jī)中進(jìn)行壓片，制成的樣品要薄且均勻。把壓好的片裝入樣品夾，制樣結(jié)束。將樣品放于樣品夾上，然后插入儀器樣品室的固定位置上進(jìn)行掃描。

1.2.4 原子力顯微鏡

酒糟的微觀形貌圖，納米力學(xué)圖利用原子力顯微鏡進(jìn)行表征[4]，顯微鏡工作原理見圖1。具體操作為：分別取5mg樣品粉末溶于10mL 0.01mol/L磷酸鹽緩沖液（pH 8.0）中，4000r/min離心 10min，取上清液 5μL均勻分散到新鮮剝離的云母片表面，然后加蓋置于通風(fēng)櫥中1h（25℃）。

原子力顯微鏡掃描條件為：采用峰值力PeakForce QNM模式和Bruker ScanAsyst探針以藍(lán)寶石為校正基底進(jìn)行校正；校針系數(shù)為：偏轉(zhuǎn)靈敏度為28.8nm/V，彈性系數(shù)為39.96N/m，針尖半徑為9.2nm；掃描范圍為5μm×5μm，可同時(shí)得到微觀形貌圖。對(duì)得到的圖譜采用Bruker離線分析軟件Nanoscope Analysis V1.5進(jìn)行分析和計(jì)算，得到樣品的表面粗糙度。

圖1 布魯克多通道原子力顯微鏡工作原理圖Fig.1 Multimode atomic force microscope and its working principle figure

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲處理對(duì)大麥酒糟組織結(jié)構(gòu)的影響

未經(jīng)超聲處理酒糟、經(jīng)超聲處理的酒糟的微觀結(jié)構(gòu)如圖 2、3（見下頁）所示。

從圖2中可以看出，未經(jīng)超聲輔助處理的酒糟微觀結(jié)構(gòu)，酒糟表面結(jié)構(gòu)緊密，其結(jié)構(gòu)會(huì)阻礙大麥內(nèi)容物的溶解，造成普魯蘭復(fù)合酶（Ondea Pro）與大麥本身含有的各種蛋白酶和β-淀粉酶之間的協(xié)同作用不徹底。從圖3中可以看出，經(jīng)超聲輔助處理的酒糟微觀結(jié)構(gòu)，其表面結(jié)構(gòu)被破壞，露出里面纖維素結(jié)構(gòu)，經(jīng)超聲處理后降低了纖維素的結(jié)晶度，增加了普魯蘭復(fù)合酶（Ondea Pro）與大麥本身含有的各種蛋白酶和β-淀粉酶以及大麥本身內(nèi)容物的有效接觸面積，從而提高了大麥麥汁的麥芽浸出率。

圖2 未經(jīng)超聲輔助處理酒糟表面掃描顯微鏡圖Fig.2 Scanning electron microscop of distiller's grains by non-ultrasound

圖3 超聲輔助處理酒糟表面掃描顯微鏡圖Fig.3 Scanning electron microscop of distiller's grains by ultrasound

2.2 超聲處理對(duì)大麥酒糟傅里葉紅外光譜的影響

超聲處理引起了酒糟微觀結(jié)構(gòu)的變化，這些都會(huì)伴隨著化學(xué)鍵和蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的變化。傅里葉變換紅外光譜是分子振動(dòng)光譜，它可以用來分析酒糟中成分的變化，并且不受樣品所處物理狀態(tài)的影響[5]。紅外技術(shù)用來分析二級(jí)結(jié)構(gòu)含量主要是依靠酰胺Ⅰ帶（1600～1700cm-1）的C=O伸縮振動(dòng)。選取用最優(yōu)超聲輔助與未經(jīng)超聲輔助大麥啤酒糖化過濾得到酒糟用NEXUS型傅里葉變換紅外光譜儀觀察酒糟成分吸收峰的變化，其結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 未經(jīng)超聲輔助處理酒糟表面紅外光譜圖Fig.4 Fourier transform infrared spectroscopy of distiller's grains by non-ultrasound

圖5 超聲輔助處理酒糟表面紅外光譜圖Fig.5 Fourier transform infrared spectroscopy of distiller's grains by ultrasound

圖4中的波長(zhǎng)值3412cm-1，是未經(jīng)超聲輔助處理的酒糟的羥基的締合吸收峰，因此酒糟中含有較多的碳水化合物，而圖5中的羥基締合吸收峰幾乎看不到，由此可以看出，經(jīng)過超聲波輔助處理后大麥內(nèi)容物溶解地更徹底，這是因?yàn)槌暤目栈饔煤蜋C(jī)械作用可以打亂酒糟的結(jié)構(gòu)，從而增加了酶與大麥內(nèi)容物的有效接觸面積，使大麥內(nèi)容物能更好地溶解。

2.3 超聲處理對(duì)大麥酒糟納米結(jié)構(gòu)的影響

原子力顯微鏡能在納米水平上真實(shí)地反映酒糟的微觀形貌，未經(jīng)超聲處理與經(jīng)超聲處理的酒糟的納米結(jié)構(gòu)見圖 6、圖 7（見下頁）。

圖6 未經(jīng)超聲輔助處理酒糟的納米結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Nanostructure images of distiller's grains without ultrasound treatment

圖7 超聲輔助處理酒糟表面的納米結(jié)構(gòu)Fig.7 Nanostructure images of distiller's grains with ultrasound treatment

從圖6、7可以看出，經(jīng)超聲處理后，酒糟表面結(jié)構(gòu)比較疏松，且顆粒的數(shù)目增加；酒糟表面顆粒的高度有所增大，并且酒糟表面有超聲破壞的痕跡，即微小破洞。分析這一現(xiàn)象可能是因?yàn)槌暤目栈?yīng)和機(jī)械效應(yīng)相互作用使酒糟顆粒發(fā)生空化氣泡的劇烈反應(yīng)。

表1 超聲處理對(duì)酒糟的表面粗糙度的影響Table 1 Effect of ultrasound treatment on surface roughness of distiller's grains

由表1中的數(shù)據(jù)可知，平均粗糙度低于均方根粗糙度，即Ra

3 結(jié)論

超聲波輔助處理后大麥酒糟表面結(jié)構(gòu)更疏松。表面粗糙度增加可以明顯加快大麥內(nèi)容物的溶解，增加酶與大麥內(nèi)容物的有效接觸面積，加速淀粉的分解，提高大麥糖化力和麥芽浸出率。

[1]王秀麗,王家林.不同糖化工藝對(duì)大麥啤酒的麥汁質(zhì)量的影響[J].食品研究與開發(fā),2012,(10):153-155.

[2] 劉斌.基于超聲波預(yù)處理的麥胚ACE抑制肽酶法制備技術(shù)研究[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué),2014.

[3] Mason T J,Paniwnyk L,Lorimer J P,et al.The uses of ultrasound in food technology[J].Ultrasonics Sonochemistry,1996,3(3):253-260.

[4] Liu X,Sun Q,WangH,et al.Microspheres ofcorn protein,zein,for an ivermectin drug delivery system[J].Biomaterials,2005,26(1):109-115.

[5] Haris P I,Severcan F.FTIR spectroscopic characterization of protein structure in aqueous and non-aqueous media[J].Journal of Molecular Catalysis B:Enzymatic,1999,7(1):207-221.