高粱吸水率和膨脹率測定參數(shù)優(yōu)化及應(yīng)用

張麗平，張 敏，侯格妮，袁先群，吳建霞，楊 浩

（貴州茅臺(tái)酒股份公司 質(zhì)量部，貴州 仁懷 564501）

高粱（Sorghum bicolor（L.）Moench）是釀造白酒的主要原料，按性狀及用途可分為食用高粱、糖用高粱、帚用高粱等，其中食用高粱谷粒供食用、釀酒。在白酒生產(chǎn)工藝中，潤料的目的是讓高粱中的淀粉顆粒充分吸收水分，為蒸煮時(shí)淀粉糊化或?yàn)橹苯由习l(fā)酵創(chuàng)造條件，而蒸煮的目的就是在潤水的基礎(chǔ)上使淀粉顆粒進(jìn)一步吸水糊化，生成有利于微生物利用的糖類，以利于后續(xù)的糖化發(fā)酵[1-2]。因而，吸水性和膨脹性作為評(píng)價(jià)高粱蒸煮品質(zhì)的重要指標(biāo)[3-4]，會(huì)直接影響出酒率及酒體的質(zhì)量[5-6]，所以，各酒企對(duì)高粱品質(zhì)都有著嚴(yán)格的要求[7-9]。有研究表明[10-14]，支鏈淀粉分子組成分枝較多，易吸水膨脹，有利于微生物的分解利用，更容易轉(zhuǎn)化為乙醇和多種風(fēng)味物質(zhì)，而直鏈淀粉具有抗?jié)櫭浶?，破碎值低，不易被糊化，其糖化性能、發(fā)酵性能相對(duì)較差，且容易發(fā)生短期的老化回生，導(dǎo)致微生物利用困難。所以在釀造原料的選擇方面，應(yīng)該結(jié)合生產(chǎn)工藝等實(shí)際情況因地制宜，選擇合適的釀酒原料。

高粱淀粉的種類與含量的高低與高粱的產(chǎn)地及品種有著直接的關(guān)系，我國高粱產(chǎn)區(qū)可以分為以華北、東北為主的北方地區(qū)和以四川、貴州為主的西南地區(qū)[15]。有研究表明：不同產(chǎn)地高粱在吸水、膨脹等蒸煮特性方面存在一定的差異[4，16-18]；而不同的干燥方式和溫度對(duì)稻谷淀粉的含量和品質(zhì)也存在一定的影響[19]。

本研究以高粱為原料，采用單因素試驗(yàn)及正交試驗(yàn)探究加熱溫度、加熱時(shí)間、料液比對(duì)高粱吸水率和膨脹率的影響；并探討了不同產(chǎn)地、不同干燥方式處理的高粱樣品吸水率和膨脹率的差異性，以期為釀酒行業(yè)對(duì)高粱的選擇和驗(yàn)收提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

高粱樣品共5份，分別編號(hào)1#、2#、3#、4#、5#，詳細(xì)信息見表1。

表1 高粱樣品的產(chǎn)地及外觀特點(diǎn)Table1 Origin and appearance characteristics of sorghum samples

1.2 儀器與設(shè)備

DK-98-Ⅱ電熱恒溫水浴鍋：江蘇科析儀器有限公司；ME4002E電子天平（感量0.01 g）：METTLER TOLEDO（中國）有限公司；Milli-Q IQ 7000純水機(jī)：Millipore公司；DGX-9143BG1鼓風(fēng)恒溫干燥箱：上海滬粵明科學(xué)儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 吸水率和膨脹率的測定

高粱吸水率是指高粱在一定條件下吸收水分的質(zhì)量占高粱質(zhì)量的百分比，膨脹率是指高粱因吸收水分增加的體積占原體積的百分比。吸水率和膨脹率測定參照范志勇等[20]的方法，稍作改動(dòng)。用四分法取樣，稱取60 g（m0）的高粱1#樣品，按照1∶5（g∶mL）料液比，加入超純水，將其放入恒溫水浴鍋中加熱60 min后取出，確保高粱顆粒的完整無破損，用紗布和濾紙吸干表面水分，稱量水浴加熱后的高粱質(zhì)量（m1），用量筒分別測定水浴前后高粱樣品體積V0（水浴前）和V1（水浴后），計(jì)算高粱的吸水率和膨脹率，其計(jì)算公式如下：

1.3.2 高粱水分測定

高粱樣品水分測定依據(jù)GB 5009.3—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中水分的測定》[21]。

1.3.3 高粱吸水率和膨脹率測定參數(shù)優(yōu)化

（1）單因素試驗(yàn)

稱取60g備用的高粱1#樣品5份，分別按不同料液比（1∶3、1∶5、1∶7、1∶9、1∶11（g∶mL））加入不同溫度（20 ℃、40 ℃、60 ℃、80 ℃、100 ℃）超純水，并將其置于恒溫水浴鍋中分別加熱不同時(shí)間（40 min、60 min、80 min、100 min、120 min），分別考察料液比、加熱溫度、加熱時(shí)間對(duì)高粱樣品吸水率和膨脹率的影響。

（2）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以吸水率和膨脹率為考察指標(biāo)，以加熱溫度（A）、加熱時(shí)間（B）和料液比（C）為影響因素，進(jìn)行3因素3水平的正交試驗(yàn)，確定高粱吸水率和膨脹率測定的優(yōu)化參數(shù)。正交試驗(yàn)因素與水平見表2。

表2 測定參數(shù)優(yōu)化正交試驗(yàn)因素與水平Table2 Factors and levels of orthogonal experiments for measurement parameters optimization

1.3.4 不同產(chǎn)地高粱吸水率和膨脹率的差異性

所測高粱樣品水分含量相同，在上述優(yōu)化參數(shù)條件下，根據(jù)1.3.1中的方法分別測定高粱1#、高粱2#、高粱3#、高粱4#和高粱5#的吸水率和膨脹率，比較不同產(chǎn)地高粱吸水率和膨脹率的差異性。

1.3.5 不同干燥方式高粱吸水率和膨脹率的差異性

稱取10份60 g的高粱1#樣品，每2份一組，5組高粱樣品分別經(jīng)自然光照干燥10 h、烘箱40 ℃烘8 h、烘箱100 ℃烘1 h、平底鍋翻炒8 min、平底鍋翻炒20 min處理后，各取1份測水分含量，另1份根據(jù)優(yōu)化后的參數(shù)測吸水率和膨脹率，比較不同干燥方式高粱吸水率和膨脹率的差異性。

1.3.6 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2007處理數(shù)據(jù)，Origin 8.0繪制圖表，Minitab16進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 加熱溫度對(duì)高粱樣品吸水率與膨脹率的影響

由圖1可知，隨著加熱溫度在20～100 ℃范圍內(nèi)的升高，高粱樣品的吸水率和膨脹率均隨之而增大。在20～60 ℃范圍內(nèi)，吸水率和膨脹率上升速度緩慢，吸水率和膨脹率分別由35.04%和36.20%上升至48.65%和44.44%；在60～80 ℃范圍內(nèi)，吸水率和膨脹率上升速度加快，且吸水率的增速大于膨脹率，吸水率和膨脹率分別由48.65%和44.44%上升至59.67%和56.25%。這可能是因?yàn)楦吡坏矸蹖傧拗菩团蛎浀矸?，存在初始膨脹階段和迅速膨脹階段，為典型的二段膨脹過程[22]。吸水率與膨脹率快速增長，高粱因膨脹而出現(xiàn)破裂，加入沸水的試驗(yàn)樣在1 h左右慢慢變成糊狀，故此加熱溫度下的吸水率和膨脹率測定結(jié)果不準(zhǔn)確，不具實(shí)際參考意義。綜合考慮，選擇最適加熱溫度為80 ℃。

圖1 加熱溫度對(duì)高粱樣品吸水率與膨脹率的影響Fig.1 Effect of heating temperature on water absorption rate and expansion rate of sorghum samples

2.1.2 加熱時(shí)間對(duì)高粱樣品吸水率與膨脹率的影響

由圖2可知，隨著加熱時(shí)間在40～120 min范圍內(nèi)的增加，高粱樣品的吸水率和膨脹率均隨之先增加后平穩(wěn)。在加熱時(shí)間40～100 min內(nèi)，吸水率增速較膨脹率快，吸水率由42.80%升至61.78%，膨脹率由48.50%升至59.47%；在100～120 min內(nèi)，吸水率和膨脹率均基本不變。已有研究表明，高粱吸水率與高粱品種有關(guān)，且隨著浸泡時(shí)間的增加其表面結(jié)構(gòu)被破壞，高粱吸水率會(huì)緩慢上升，且高粱內(nèi)部會(huì)發(fā)生生理變化[23-25]。綜合考慮，選擇最適加熱時(shí)間為100 min。

圖2 加熱時(shí)間對(duì)高粱樣品吸水率與膨脹率的影響Fig.2 Effect of heating time on water absorption rate and expansion rate of sorghum samples

2.1.3 料液比對(duì)高粱樣品吸水率與膨脹率的影響

由圖3可知，隨著料液比在1∶3～1∶7（g∶mL）范圍內(nèi)的變化，高粱樣品的吸水率和膨脹率均隨之增加；在料液比為1∶7（g∶mL）時(shí)，吸水率與膨脹率均達(dá)到最大值，吸水率與膨脹率分別為63.52%和62.96%；料液比在1∶7～1∶11（g∶mL）時(shí)，吸水率與膨脹率均基本不變。綜合考慮，選擇最適料液比為1∶7（g∶mL）。

圖3 料液比對(duì)高粱樣品吸水率與膨脹率的影響Fig.3 Effect of solid-liquid ratio on water absorption rate and expansion rate of sorghum samples

2.2 測定參數(shù)優(yōu)化正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以吸水率和膨脹率為考察指標(biāo)，選取加熱溫度（A）、加熱時(shí)間（B）、料液比（C），進(jìn)行3因素3水平的正交試驗(yàn)，正交試驗(yàn)結(jié)果與分析見表3，正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析見表4。

表3 測定參數(shù)優(yōu)化正交試驗(yàn)結(jié)果與分析Table3 Results and analysis of orthogonal experiments for measurement parameters optimization

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析Table4 Variance analysis of orthogonal experiments results

由表3可知，根據(jù)極差值R和R'，可知，各因素對(duì)高粱吸水率和膨脹率的影響主次順序均為：A（加熱溫度）＞B（加熱時(shí)間）＞C（料液比）。以吸水率和膨脹率為考察指標(biāo)，最優(yōu)參數(shù)條件組合均為A3B3C2，即加熱溫度85 ℃，加熱時(shí)間110 min，料液比1∶7（g∶mL）。在此優(yōu)化條件下進(jìn)行3次平行驗(yàn)證試驗(yàn)，吸水率和膨脹率均值分別為68.13%和65.60%。

由表4可知，因素A（加熱溫度）對(duì)于高粱樣品的吸水率和膨脹率均有極顯著的影響（P＜0.01），而因素B（加熱時(shí)間）和C（料液比）對(duì)高粱樣品的吸水率和膨脹率的影響均不顯著（P＞0.05）。

2.3 不同地區(qū)高粱樣品吸水率和膨脹率的差異

由圖4可知，西南地區(qū)高粱樣品1#（吸水率67.71%和膨脹率64.07%）、樣品2#（吸水率80.72%和膨脹率68.25%）和樣品3#（68.54%和61.33%）均高于東北高粱樣品4#（吸水率61.22%和膨脹率48.81%）和江蘇高粱樣品5#（吸水率48.20%和膨脹率40.00%），這與何誠等[26-27]的研究結(jié)論一致，可能與高粱內(nèi)部淀粉種類和組成有關(guān)，西南地區(qū)高粱多為糯高粱，支鏈淀粉含量高，支鏈淀粉分支結(jié)構(gòu)多，具有較強(qiáng)的吸水性和持水力；另外，同為西南地區(qū)的高粱樣品1#和3#吸水率（67.71%和68.54%）和膨脹率（64.07%和61.33%）要低于樣品2#（吸水率80.72%和膨脹率68.25%），并且在優(yōu)化試驗(yàn)條件下處理高粱樣品，樣品1#和3#顆粒出現(xiàn)少部分破裂，樣品2#只是顆粒變軟并未破裂，這可能與不同品種的高粱種皮厚度和顆粒大小有關(guān)。故在釀酒高粱選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)自身生產(chǎn)工藝特點(diǎn)選擇適合的高粱品種。

圖4 不同產(chǎn)地高粱樣品的吸水率和膨脹率差異性Fig.4 Difference of water absorption rate and expansion rate of sorghum samples from different producing areas

2.4 不同干燥方式高粱吸水率和膨脹率的差異性

由表5可知，自然光干燥10 h、烘箱40 ℃烘8 h及短時(shí)間的翻炒處理對(duì)高粱吸水率和膨脹率的影響較原樣均不超過±2%；而高溫干燥和長時(shí)間翻炒處理使得高粱樣品的吸水率和膨脹率都開始下降，高溫干燥處理后吸水率和膨脹率分別由68.13%和65.60%下降至57.22%和45.75%；長時(shí)間翻炒處理后使得高粱樣品的吸水率和膨脹率分別由68.13%和65.60%下降至59.32%和47.17%，且膨脹率下降較明顯。這可能是因?yàn)楦吡婚L時(shí)間處于高溫條件下，淀粉分子內(nèi)的化學(xué)鍵已發(fā)生斷裂，分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，有研究表明，溫度對(duì)谷物的吸水能力有一定的影響，這可能是由于溫度的升高，高粱胚乳中淀粉顆粒間形成的羥基鍵發(fā)生了斷裂，高粱持水力降低，且隨著溫度的升高導(dǎo)致高粱的表皮受損[28-29]。從而影響其吸水率和膨脹率。故為保證出酒率及酒質(zhì)應(yīng)選擇自然或低溫干燥達(dá)到降低水分的要求。

表5 不同干燥方式高粱樣品吸水率和膨脹率的差異性Table5 Difference of water absorption rate and expansion rate of sorghum samples by different drying methods

3 結(jié)論

高粱吸水率和膨脹率的最佳測定參數(shù)為加熱溫度85℃、加熱時(shí)間110 min、料液比1∶7（g∶mL）。在此優(yōu)化條件下，高粱樣品1#的吸水率和膨脹率最優(yōu)，分別為68.13%和65.60%。西南地區(qū)高粱吸水率和膨脹率最高，其次為東北高粱，江蘇高粱吸水率和膨脹率最低；低溫干燥和短時(shí)間的翻炒處理對(duì)高粱的吸水率和膨脹率影響不大，而高溫干燥和長時(shí)間翻炒使得吸水率和膨脹率都開始下降，且膨脹率變化較明顯。酒企可根據(jù)自身生產(chǎn)工藝要求選擇合適的高粱品種，在高粱干燥方式上應(yīng)選擇自然干燥或低溫干燥。

本研究結(jié)果可為釀酒行業(yè)對(duì)高粱的選擇和驗(yàn)收提供一定的參考依據(jù)，但造成不同地區(qū)、不同干燥方式處理的高粱吸水率和膨脹率差異的具體原因還有待進(jìn)一步的研究。