紫(黑)米在釀酒行業(yè)中的應用

鄭瑞龍，索婧怡，鈕成拓，鄭飛云，易崇華，圣弟青，王金晶，李崎，劉春鳳*

1(工業(yè)生物技術教育部重點實驗室(江南大學)，江蘇 無錫，214122)2(江南大學，釀酒科學與工程研究室，江蘇 無錫，214122)3(江南大學 生物工程學院，江蘇 無錫，214122)

紫米、黑米是一種富含氨基酸、微量元素和花色苷的有色米種，具有抗癌、抗過敏、抗肥胖和預防動脈硬化、心血管疾病等功效。但是，目前紫米、黑米主要以稻米的形式作為口糧，存在附加值低、營養(yǎng)價值不能被高效利用等問題。由于獨特的外觀與口感、豐富的營養(yǎng)價值和生物活性功能，紫米、黑米逐漸受到廣大釀酒師的青睞，在黃酒、啤酒等飲料酒的釀造過程中已有一定的應用。本文從種皮色素研究、營養(yǎng)成分和功能活性方面介紹了紫米、黑米在國內外的研究進展，并對近年來紫(黑)米在釀酒行業(yè)的應用進展進行了系統(tǒng)地綜述，分析紫米系列酒精飲品的特色和存在的問題。為這類特種有色稻米在釀酒工業(yè)中的進一步應用提供了參考依據，對釀酒工業(yè)的發(fā)展具有重要的指導意義。

1 紫(黑)米簡介

水稻(OryzasativaL.)是全世界最重要的谷物作物之一，2017年全球水稻產量為7.70 億t，同年中國水稻產量為2.14億t。我國水稻種植歷史悠久，早在7 000年前中國長江流域的先民就已開始種植水稻。有色水稻在野生稻(Oryzarufipogon)中廣泛存在，并一度因為易落粒、種子萌發(fā)率低等問題逐漸被人們淘汰。但由于具有豐富的營養(yǎng)價值，并且隨著育種技術的提高，優(yōu)良的有色水稻品種得以推廣，一些米皮偏紫,甚至偏黑的有色米種逐漸被人們關注。

紫(黑)米屬于水稻中的特殊品種，其中紫米屬糯米類，黑米可分為糯性米和非糯性米。由于國內外相關文獻對兩者色素物質及營養(yǎng)價值等研究中并未做明顯區(qū)分，本文綜合相關研究進行綜述。

1.1 紫(黑)米的種皮色素研究

紫(黑)米果皮顏色根據品種不同深淺不一，主要呈現(xiàn)紫黑色、紫色和淺紫色等。紫色的種皮主要是由于花色苷積累造成，加強對種皮色素物質的遺傳性狀研究，可有效培育優(yōu)質紫米種質。NAGAO等[1]發(fā)現(xiàn)花色苷顏色的出現(xiàn)取決于產生色原的基因C、起激活作用的基因A和組織特異性調節(jié)基因P。紫米種皮的色素沉積由Prp-b和Prp-a基因共同控制，當兩者同時存在時種皮呈紫色，Prp-a單獨存在種皮呈無色，Prp-b單獨存在種皮呈棕色[2-4]。HIROAKI等[5]進一步對比黑米與白米品種，發(fā)現(xiàn)了3種與黑色種皮顏色積累相關的基因并命名為：Kala1、Kala3和Kala4，并認為Kala1與之前報道的Prp-b基因、Rd基因和A基因可能為等位基因，Kala4基因編碼bHLH轉錄因子[6-7]。WANG等[8]證實bHLH家族蛋白可參與花色苷和黃酮醇的生物合成途徑。目前，已經報道的和紫(黑)米種皮色素沉積相關的蛋白有花色苷合成酶(EC 1.14.20.4)、查爾酮合成酶(EC 2.3.1.74)、黃烷酮-3-羥化酶(EC 1.14.11.9)和二氫黃酮醇-4-還原酶(EC 1.1.1.219)等[9-10]。

紫(黑)米種皮色素的形成除了與相關基因的表達、相互作用之外，與環(huán)境也有很大的關系，低溫往往會使黑米著色程度加深[2]。紫米種皮色素物質含量已被證實與紫米香味性狀有一定聯(lián)系，且和紫米中離子含量(如Fe2+和 Mg2+)呈正相關[11]。結合遺傳性狀和培養(yǎng)、貯藏條件對種皮色素物質的影響，可目的性地選育適用于食品釀造行業(yè)的適宜色素含量的紫米或黑米品種。

1.2 紫(黑)米中的主要營養(yǎng)物質

淀粉是紫(黑)米以及所有水稻最主要的營養(yǎng)成分，包括低分子質量(105～106)的線性直鏈淀粉和高分子質量(107～108)的支鏈淀粉[12]。糯米中的直鏈淀粉含量<2%，作為釀酒原料可有效提高出酒率。墨江紫米標準規(guī)定其直鏈淀粉(干基)含量≤3.5%，低直鏈淀粉使得紫(黑)米糊化產物黏性更好，在釀造過程中，糊化后更易被淀粉酶水解成小分子的單糖和糊精[13]，一定量的糊精作為口感物質可提高酒體醇厚度。

不同米種營養(yǎng)成分含量見表1。蛋白質在水稻中的含量僅次于淀粉。紫(黑)米中的蛋白質和必需氨基酸含量均高于普通稻米，其中，氨基酸含量高于普通稻米46%～66%，必需氨基酸含量高于普通稻米25%左右[14]。天冬氨酸、谷氨酸和天冬酰胺為紫(黑)米中的主要氨基酸[13]。黑米中的蛋白可根據溶解性進行分類，主要為谷蛋白(溶于堿性溶液)、醇溶蛋白(溶于乙醇)、球蛋白(溶于鹽溶液)和白蛋白(溶于水)，分別占總蛋白質的60%、25%、10%和5%。在釀造過程中，較高的蛋白質含量在一定程度上提高了氨基酸含量，增加香氣物質的合成，同時，為提高啤酒泡沫蛋白提供物質基礎，相對較少的水溶性蛋白使其在釀造過程中蛋白不易溶解，釀造所得啤酒表面疏水性降低，泡沫穩(wěn)定性得以提升[15]。在黃酒釀造中則有助于延長酒齡。但蛋白質含量過高會導致酒中異味增加，當使用紫(黑)米作為釀酒原輔料時，可考慮添加一定量蛋白酶或在啤酒糖化工藝中延長蛋白休止時間使蛋白質充分降解。

表1 不同米種營養(yǎng)成分含量[17]Table 1 Nutritional content in different kinds of rice

紫(黑)米相較于普通白米除蛋白質、氨基酸以外，其有機酸、脂肪酸甲酯的含量更高[16]。紫(黑)米的主要脂肪酸為油酸、亞油酸和棕櫚酸，這些脂肪酸占總脂肪酸的90%[17]。亞油酸作為人體必需脂肪酸雖有著改善高血壓等功效，但脂肪酸含量過高，影響著原料和成品酒的儲藏，一定程度上提高了酒體老化風險，應根據需要進行合理控制。除此之外，紫(黑)米中鉀(K)、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鐵(Fe)、鋅(Zn)、錳(Mn)和磷(P)等元素的含量均高于白米[13]，在釀造過程中，微量元素對微生物的生長與代謝有重要影響，如在麥芽汁中添加Fe2+、Zn2+和Mn2+可降低啤酒中雙乙酰的含量，保證啤酒風味。

1.3 紫(黑)米花色苷及其功能

除營養(yǎng)物質外，紫(黑)米中的多酚類活性物質的含量也普遍高于白米(表2)。其中，花色苷是紫(黑)米中含量最多的多酚類化合物，主要存在于稻谷果皮中[20]?；ㄉ帐且环N水溶性黃酮類化合物，由2個芳香環(huán)通過含氧的三碳雜環(huán)連接形成(圖1)，能夠賦予水果、蔬菜和谷物等紅色、藍色和紫色等顏色[20]。目前，已經報道的黑米中的花色苷組分有矢車菊素-3-葡萄糖苷、芍藥素-3-葡萄糖苷、矢車菊素-3-二葡萄糖苷、矮牽牛素-3-葡萄糖苷、錦葵素和飛燕草素[21-23]，矢車菊素-3-葡萄糖苷含量占總量的59.3%～82%[24]?；ㄉ找蚓哂形说念伾土己玫乃苄裕１挥糜谏a天然染料或天然色素，在食品、化妝品和醫(yī)藥等行業(yè)都有廣泛應用[20,25-26]。

表2 不同品種黑米與白米主要活性物質含量[27] 單位：mg/100 g干重

圖1 花色苷的化學結構[21-23]Fig.1 Chemical structures of anthocyanins注：矢車菊素(cyanidin)：R1-OH, R2-H；芍藥素(peonidin)：R1-OCH3, R2-H；矮牽牛素(petunidim)：R1-OH, R2-OH3；錦葵素(malvidin)：R1-OCH3, R2-OCH3；花葵素(pelargonidin)：R1-H, R2-H；飛燕草素(delphinidin)：R1-OH, R2-OH

此外，花色苷具有多種生物活性功能，可以通過自身還原機制，清除自由基，穩(wěn)定單線態(tài)氧，能夠抗癌、抗炎、抗過敏、抗糖尿病、抗肥胖、抵御認知能力下降和預防動脈粥樣硬化、心血管疾病[21]。利用富含花色苷的紫(黑)米制作的釀造酒，不僅具有吸引人的外觀，還具有多種生理活性功能和保健作用，這使得紫(黑)米酒成為一款高附加價值的釀造酒。

2 紫(黑)米在釀酒工業(yè)的應用

根據國家統(tǒng)計局數據，2018年我國釀酒行業(yè)規(guī)模以上企業(yè)完成釀酒總產量5 631.93萬kL，同比增長1.17%。飲料酒產量4 985.30萬kL，同比增長0.90%。隨著市場消費環(huán)境的不斷變化，釀造酒產品口味及品類更為豐富，緊緊圍繞健康、綠色的健康理念。據市場研究公司Nielsen的報告顯示，2018年美國啤酒銷量下降了1.8%，但金額卻增長了近1%。國內高端啤酒從銷量占比上來看，已從2001年的1.90%升高到2019年的10.0%。在大健康時代的今天，隨著消費者保健意識的加強，健康飲酒、理性飲酒的理念正不斷深入人心。釀酒行業(yè)應在適應市場，強化酒類產品品質提升的同時，挖掘多元化酒品種類，開發(fā)天然健康、綠色釀酒原料在釀酒行業(yè)的應用領域，提升釀造酒的附加值。

紫(黑)米淀粉含量高，水分與蛋白含量適中，非常適合用作釀造原料。利用紫(黑)米釀造相關的飲料酒，口感、香氣獨特。同時，充分發(fā)揮其高礦物質含量，富含多種生物活性物質的特性。因此，釀造紫(黑)米酒，有利于未來食品回歸自然、回歸天然的潮流模式，擁有廣闊的市場前景。

2.1 稻米在釀造酒中應用

谷物是釀造酒生產中必不可少的原料之一，原料的種類、品質特性對最終產品的質量有著重要的影響。其中，稻米作為全世界種植最廣泛的谷物原料之一，在釀酒行業(yè)中已有廣泛應用。

在黃酒中，糯米被認為是最適宜的釀酒原料，支鏈淀粉含量高的粳糯米，原料出酒率高，其揮發(fā)性風味物質的質量濃度也明顯高于秈米、粳米和秈糯米，感官品質更優(yōu)[28]。粳米因直鏈淀粉含量高于糯米，其釀造黃酒的口感更單薄，有機酸含量較低。秈米中直鏈淀粉含量更高，蛋白質含量較高，釀造秈米黃酒的出酒率低，味道更為酸澀[29]。

在啤酒中，除麥芽原料外仍會添加諸多如大米、小麥、玉米、玉米淀粉和糖漿等輔料以提高麥芽收率、改善麥汁組成、改善啤酒風味和非生物穩(wěn)定性。其中，稻米是我國常用的啤酒輔料，淀粉含量(75%～82%)遠高于麥芽、脂肪含量少、啤酒色澤較淺、泡沫細膩[30]。其缺陷是稻米中氮含量低于麥芽，過多使用大米為輔料可降低麥汁中游離α-氨基氮的含量，導致發(fā)酵時間延長，稻米不含有淀粉酶，因此,大多數啤酒制造商會外加淀粉酶和蛋白酶。

2.2 紫(黑)米在黃酒中的應用

黃酒(Chinese rice wine)是中國傳統(tǒng)的酒精飲料，以稻米、黍米等谷物為發(fā)酵原料，經加曲、酵母等糖化、發(fā)酵劑釀造而成，酒精度一般在8%～18%。

利用紫米或黑米進行黃酒釀造，可充分發(fā)揮其藥用食用價值。CAI等[31]對6種不同的稻米原料采用同種工藝制得黃酒，發(fā)現(xiàn)紫米和黑米黃酒的總多酚含量與抗氧化活性明顯高于圓糯米和紅米。紫米、黑米黃酒中含有傳統(tǒng)糯米酒中含量很少甚至不含的花色苷，DPPH自由基清除能力與其花色苷含量呈正相關性，使其抗氧化活性高于普通白糯米米酒[32]。但由于花色苷穩(wěn)定性較差，釀造過程中含量會不斷下降，如發(fā)酵醪液中花色苷含量遠低于原料，經洗米、潤糧后的初始糖化醪液中矢車菊素含量下降53.35%。成品酒保藏期越長，花色苷含量也越低[33]。對此，如何減少花色苷損失、提高成品酒中花色苷的穩(wěn)定性需要進一步研究。

酒曲是黃酒釀造過程中的糖化發(fā)酵劑，可以起到糖化、發(fā)酵和生香的重要作用。目前，黑糯米酒工藝主要使用根酶為糖化發(fā)酵劑，蘇偉等[34]對我國貴州地區(qū)10種具代表性的黑糯米酒曲進行對比發(fā)現(xiàn)，黑糯米酒曲中的糖化酶活力與發(fā)酵醪的總酸呈正相關，與發(fā)酵醪pH、氨基態(tài)氮呈負相關；液化酶活力與發(fā)酵醪的pH呈負相關；酒曲的發(fā)酵力與發(fā)酵醪中總酸、還原糖、氨基態(tài)氮和雜醇油呈負相關。趙旭[35]使用酶協(xié)同微生物釀造黑糯米酒，添加Q303根酶曲和高效酵母從而解決黑糯米酒釀造過程中酒度低、發(fā)酵周期長的問題。通過改良工藝得到的黑糯米酒酒精度、總糖、總酸和花色苷含量均高于傳統(tǒng)釀造工藝。

傳統(tǒng)方法釀造紫米或黑糯米酒存在發(fā)酵困難、糖分含量高和出酒率低等問題。這是由于紫(黑)米中脂肪、蛋白質成分較高，造成其發(fā)酵過程中生酸幅度大，最終得到的米酒汁得率低，產品酸味突出，口感不好。熊華等[36]通過加入高出汁量的糯米，控制紫糯的質量比為1∶3，以提高紫米酒出酒率，調整發(fā)酵溫度為30 ℃、發(fā)酵時間為48 h、加曲量為0.8%以減少生酸，控制總酸與糖類物質變化，制備得到的紫米黃酒出汁率高、酸度低、增香效果好并提出對紫米酒發(fā)酵的影響因素的強弱依次為：發(fā)酵時間>加曲量>發(fā)酵溫度。KIM等[32]發(fā)現(xiàn)黑米釀造黃酒酸味較高，成品酒中乳酸菌的數量與黑米添加量呈正相關，綜合感官品評得出最好的黑米添加量為20%。

液化法釀造黃酒作為一種新工藝，機械化和自動化程度高，相較傳統(tǒng)工藝可節(jié)省50%以上能源，基本可實現(xiàn)廢水零排放[37]。但是王琴等[38]對比黑糯米酒固、液態(tài)發(fā)酵法，發(fā)現(xiàn)液態(tài)法釀造黑糯米酒口味淡、偏酸、有霉味，雖在釀造工藝上可簡化操作，降低勞動程度，但在分離去除雜菌的同時，仍會去除部分對風味物質產出有重要貢獻的有益菌。

近年來，多種食材、藥材的使用使得保健型紫(黑)米黃酒的問世，如李辰等[39]使用黑豆、黑米、糯米為原料輔以黃酒工藝釀造出一款新型黑米黃酒。禹曉婷[40]、QI等[41]以瑪卡、人參等12味藥食同源物質作為制曲基質，發(fā)酵得到了品質較好的黑糯米保健酒，可有效地調節(jié)小鼠血清腎功能，具有補腎作用。

2.3 紫(黑)米在啤酒中的應用

大米在啤酒行業(yè)已經長期作為一種重要的輔料，可顯著地增加浸出物含量。其中，紫米、黑米等有色米種也得到啤酒釀造者們的許多關注。目前已經研制出諸多如10、12和14°P的黑米輔料啤酒以及添加入枸杞、青稞、玫瑰和添加瑪咖、紫娟茶的紫(黑)米啤酒[42-43]。

USANSA等[44]對黑米進行了發(fā)芽制麥處理，發(fā)現(xiàn)發(fā)芽黑米含有高活力的限制性糊精酶(5 066～5 212 U/kg)和α-葡萄糖苷酶(250～210 U/kg)，用其制備的協(xié)定麥汁色度分別為：EBC5.48(非糯性黑米)和EBC7.08(黑糯米)且無麥汁過濾困難問題，釀造潛能與能力高于一般稻米。但值得注意的是黑米米粒硬、蛋白含量高、谷皮多酚類物質含量高，釀造過程中應適當延長蛋白休止時間和煮沸時間以保證蛋白質分解完全。此外，糊化糖化期間分別添加0.2 g/L硅藻土可吸附黑米皮中的苦澀成分[45]。

ZHANG等[46]對成品黑米啤酒的揮發(fā)性風味物質進行分析，發(fā)現(xiàn)橙花叔醇、香葉醇和香葉基香葉醇為黑米啤酒產生的特殊風味物質。香葉基香葉醇有抗腫瘤、抗菌等生理活性，香葉醇是機體合成紫杉醇和類固醇等萜類化合物的重要前體物質。

目前，基于黑米為原輔料釀造啤酒的抗氧化活性、花色苷成分變化研究鮮有報道，啤酒中總多酚含量與抗氧化能力呈正相關，且對啤酒非生物穩(wěn)定性有一定影響[47-48]，因此，有必要考察紫(黑)米啤酒釀造過程中抗氧化物質種類及抗氧化活性的變化規(guī)律，為成品啤酒中抗氧化功能的保持提供科學依據。

2.4 其他紫(黑)米酒精飲料

除上述紫(黑)米黃酒和紫(黑)米啤酒外，紫米與黑米還可以用于其他酒精飲料的生產。蜂蜜酒是一類將蜂蜜加水稀釋，經過發(fā)酵釀制而成的酒精飲品。KOGUCHI等[49]使用黑米和蜂蜜釀制蜂蜜酒(Mead)，酒精度約為10%(體積分數)，相較于添加一般大米或不添加大米的蜂蜜酒有著更強的抗氧化活性。KATOH等[50]進一步研究發(fā)現(xiàn)，使用紫云英(Chinese milk vetch)蜂蜜釀造黑米蜂蜜酒，花色苷質量濃度可達35 mg/L，且有著更好的香氣與口味。

3 結束語

我國是紫米、黑米資源最為豐富的國家，有著悠久的種植歷史。因其富含花色苷等生物活性物質以及不含麩質的特性，將紫米、黑米與釀酒相結合，不僅可以豐富產品品類與風味，更可以增加產品的附加值，提高產品質量以滿足消費者的需求，進一步適應釀酒行業(yè)發(fā)展的要求。

目前已有多款紫、黑米類酒精飲品問世，并在原料配比、釀造工藝和風味物質分析上有一定進展。但是將紫米與黑米廣泛應用于釀酒行業(yè)仍存在一定問題：(1)需解析紫米或黑米酒釀造過程中生物活性物質如花色苷的變化，并有效提高成品酒中花色苷穩(wěn)定性；(2)進一步選育適配紫米或黑米發(fā)酵特點的酵母或發(fā)酵菌群；(3)針對米種特色與成分特性，設計規(guī)范的原料標準，系統(tǒng)、通用的釀造工藝流程，以實現(xiàn)紫米或黑米酒產業(yè)化，促進中國特色米種資源的高效利用，促進釀酒行業(yè)的多元化發(fā)展。