濃香型白酒糟醅中糠殼超微結(jié)構(gòu)表征研究

陳仕江，趙 東，安明哲，鄭 佳，陳小文，張富勇，蘇 建

（四川宜賓五糧液股份有限公司技術(shù)研究中心，四川宜賓 644000）

我國是釀酒大國，每年白酒產(chǎn)量高達(dá)700 多萬千升，是世界上最大的生產(chǎn)及消費(fèi)白酒大國[1]。濃香型白酒作為市場最受歡迎的香型，占據(jù)全國市場份額的70%以上[2]。目前，對濃香型白酒的研究主要集中在微生物代謝、風(fēng)味化學(xué)、食品安全等方向，針對白酒釀造糟醅的研究也均注重于理化指標(biāo)分析[3]，現(xiàn)有的文獻(xiàn)報(bào)道鮮有關(guān)于糟醅結(jié)構(gòu)尤其針對糟醅微觀結(jié)構(gòu)的研究。

糠殼作為濃香型白酒生產(chǎn)的主要輔料[4]，與糧粉以一定比例混合發(fā)酵后形成糟醅[5]。糧粉經(jīng)蒸煮糊化和糖化發(fā)酵后呈黏糊狀、在電鏡觀測下不具有明顯的物理結(jié)構(gòu)，因此，糟醅的物理結(jié)構(gòu)主要是由糠殼構(gòu)成，故糠殼的研究對于了解糟醅物理結(jié)構(gòu)具有重要的意義。糠殼主要由纖維素，半纖維素，木質(zhì)素[6]和SiO2等成分組成[7-8]，這些成分的耐酸堿性較強(qiáng)，不易被真菌、細(xì)菌等微生物降解，能持續(xù)地提供良好的發(fā)酵環(huán)境[9]?？窔さ膽?yīng)用非常廣泛[10-13]，一方面可以在糠殼灰中提取Si 的成分用于制作單晶硅[14]，降低制作硅晶片的成本；另一方面也能利用糠殼制作生物碳[15-16]，用于農(nóng)作物的生長。還有不少研究人員探究糠殼孔洞結(jié)構(gòu)吸附能力強(qiáng)弱問題[17-19]，在釀酒中用于雜質(zhì)吸附。高品質(zhì)的糟醅是優(yōu)質(zhì)白酒的基礎(chǔ)，對于釀酒糟醅中糠殼的研究也是不勝枚舉[20-21]：楊貝貝等[22]從全面分析釀酒用稻殼的物理特性、篩選最適釀酒用稻殼的新品種、創(chuàng)新釀酒用稻殼的預(yù)處理方式等三個(gè)方面開展深入研究，大致介紹了稻殼的基本特性、稻殼與釀酒的關(guān)系、釀酒用稻殼的回收再利用等研究現(xiàn)狀；謝正敏、葉華夏等[23]對釀酒糠殼中糠味物質(zhì)進(jìn)行研究并對蒸煮糠殼時(shí)所釋放的氣味成分進(jìn)行了分析，取得了階段性的成果；唐賢華、張崇軍等[24-26]通過窖外模擬發(fā)酵試驗(yàn)研究了不同比例糠殼對濃香型白酒發(fā)酵糟醅質(zhì)構(gòu)特性的影響，闡述了糠殼質(zhì)量對糟醅發(fā)酵的重要性。以上研究都是針對發(fā)酵過程糟醅的理化性質(zhì)變化趨勢以及理化參數(shù)的調(diào)控方面進(jìn)行探究，對糟醅自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究較少，特別是對于糠殼在發(fā)酵過程中結(jié)構(gòu)的變化情況。

為解決釀酒過程中這一客觀問題，本研究運(yùn)用顯微成像技術(shù)，以糟醅為研究對象，追蹤糠殼在發(fā)酵過程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，理清糟醅中糠殼在釀造過程中的作用，為推進(jìn)完善白酒釀造理論的建立起到了積極作用。

1 材料與方法

1.1 材料、儀器

釀酒用糠殼，生產(chǎn)車間出窖糟醅，四川省宜賓五糧液股份有限公司。

儀器設(shè)備：普通燒杯、培養(yǎng)皿、磁力攪拌器、精密電子秤、SD-900 離子濺射儀，北京博遠(yuǎn)微納科技有限公司；FLEX 1000 掃描電子顯微鏡，上海日立有限責(zé)任公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 糟醅分離

在釀酒車間里隨機(jī)選中一口窖池，取出發(fā)酵后糟醅若干，以15 g 糟醅為一組，分為3 組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。取15 g 糟醅放入燒杯中，往糟醅中放入足量的蒸餾水，磁力攪拌器上攪拌處理2 h，倒掉污水，留下糠殼；以此方法處理相同樣品若干次，直至燒杯中只剩下糠殼，并進(jìn)行超聲振蕩清洗，實(shí)現(xiàn)糠殼與糧粉分離。

1.2.2 糠殼分類

將分離后的糠殼進(jìn)行烘干處理，考慮到高溫可能會對糠殼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，故此次實(shí)驗(yàn)采取自然烘干的方式進(jìn)行。曬干處理后放入培養(yǎng)皿中，根據(jù)肉眼觀察，按不同的外觀顏色將其分為三類：淺色糠殼，深色糠殼和深褐色糠殼。

1.2.3 掃描電鏡觀察

將分好類的糠殼樣品分別進(jìn)行掃描電鏡觀察。掃描電鏡觀察分為表面觀察和橫斷面觀察。對所有樣品在觀察前進(jìn)行噴金處理。

1.2.4 吸水率測試

將自然烘干的三類糠殼分別取出0.2 g 放入燒杯中，燒杯中加入120 mL 蒸餾水，攪拌并靜置1 h。隨后將糠殼取出，用無塵布將糠殼表面水漬擦凈，利用精密電子秤進(jìn)行稱量處理并計(jì)算糠殼吸水率。

吸水率=(吸水后重量—吸水前重量)/吸水前重量×100%

2 結(jié)果與分析

2.1 外觀分析

將自然烘干的糠殼進(jìn)行顏色分類，如圖1 所示。圖1 中（a）所示為淺黃色糠殼，其外觀顏色與新鮮糠殼無異，在出窖糟中含量占比15%左右；圖1（b）所示為深黃色，含量占比80%左右，宏觀外貌特征與（a）無差異；圖1（c）所示為深褐色，含量占比5 %左右。從圖1 可以看出，糠殼在發(fā)酵過程中外部顏色發(fā)生了由淺到深的變化，隨著發(fā)酵次數(shù)的增多，顏色逐漸變深，最后呈現(xiàn)圖1 中（c）的深褐色。為探究其原因，將新鮮糠殼分別泡在蒸餾水和酸度為4.4 的水溶液中60 d，自然烘干后如圖2 中（a）和（b）所示。從圖中可以看出兩組實(shí)驗(yàn)中的糠殼在外觀形貌和顏色上并沒有太大的差異，說明造成糠殼表面顏色變深的原因可能并不是弱酸性環(huán)境，而是由于各種菌體分泌的有機(jī)酸和其他分泌物質(zhì)導(dǎo)致其顏色加深。在圖1（b）中值得注意的是深黃色的稻殼分為了兩類：一類是內(nèi)深外深，一類是內(nèi)淺外深。圖1（a）屬于內(nèi)淺外淺。從不同顏色的含量分布可以看出，糠殼在發(fā)酵過程中經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一階段，新鮮糠殼隨著發(fā)酵過程的進(jìn)行，在霉菌、酵母菌和細(xì)菌等各種菌落與環(huán)境的共同作用下由內(nèi)淺外淺變?yōu)榱藘?nèi)淺外深，這是由于發(fā)酵前期，大量的菌落和糧粉會優(yōu)先附著在糠殼外部，從而優(yōu)先對糠殼外部產(chǎn)生作用所導(dǎo)致；第二階段，隨著發(fā)酵次數(shù)的增多，越來越多的菌落進(jìn)入到糠殼內(nèi)部導(dǎo)致糠殼變?yōu)閮?nèi)深外深；第三階段，經(jīng)歷過多次發(fā)酵的糠殼內(nèi)部外部都附著大量的糧粉和菌落以及分泌物，大量物質(zhì)疊加的情況下，顏色由內(nèi)深外深變?yōu)樯詈稚?/p>

圖1 出窖糟中不同顏色糠殼對比圖

圖2 糠殼浸泡60 d對比圖

糠殼的吸水率是糠殼的重要物理指標(biāo)，在發(fā)酵過程中有著重要的作用?？窔の盏乃謺榫涞纳L提供條件。糊化、糖化、發(fā)酵等釀造過程及霉菌、酵母菌等菌種的活動都離不開水。所以，研究不同顏色類別的糠殼吸水率尤為重要。

將3 類糠殼分別取0.2 g 放入蒸餾水中進(jìn)行吸水率測試。測試結(jié)果如表1所示。

表1 不同顏色糠殼吸水率對比

由表1 可看出，淺色糠殼的吸水率高達(dá)110%，深色糠殼次之，深褐色糠殼最低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在數(shù)量相同的情況下，淺色糠殼能吸收更多的水分，能為菌落的繁殖和糟醅發(fā)酵提供更有利的條件。深褐色的糠殼吸水性差，這也是每輪發(fā)酵過后都需要加入新鮮糠殼的原因之一。

2.2 SEM形貌分析

2.2.1 糠殼表面分析

將3 類自然烘干的糠殼分別進(jìn)行SEM 電鏡觀察，圖3 所示為不同顏色糠殼的內(nèi)側(cè)面SEM 圖。（a）所示為淺色糠殼內(nèi)側(cè)面電鏡圖，可以較為清晰的看到糠殼的微管單元均勻分布在內(nèi)側(cè)，表面比較平整且有一定規(guī)律；當(dāng)經(jīng)過了一定時(shí)間的發(fā)酵，如（b）所示，微管單元較為模糊，表面凹凸不平，有明顯破損痕跡；當(dāng)經(jīng)過更長的發(fā)酵時(shí)間，如（c）所示，破損程度加劇，微管單元幾乎消失。從圖3 可以看出，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長，糠殼內(nèi)側(cè)破損程度增加，這是因?yàn)榘l(fā)酵周期越長，附著在上面的微生物越多，會分解糠殼內(nèi)側(cè)的角質(zhì)層，導(dǎo)致糠殼破損，使其內(nèi)側(cè)的微孔暴露在外面。圖4 所示為不同顏色糠殼的背面SEM 圖，（a）所示為顏色較淺的糠殼背面SEM圖，其背面有許多倒刺均勻分布，呈現(xiàn)凹凸不平的溝壑狀結(jié)構(gòu)。觀察糠殼的側(cè)面和背面可知，側(cè)面較為光滑，只有背面粗糙的溝壑結(jié)構(gòu)能被糧粉附著并在其上進(jìn)行發(fā)酵，這也是糠殼背部優(yōu)先變深的原因之一。

圖3 出窖糠殼表面SEM圖

圖4 出窖糠殼背面對比圖

2.2.2 糠殼橫截面分析

為了能深入掌握糠殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，將三類自然烘干的糠殼分別進(jìn)行SEM 電鏡橫斷面觀察。結(jié)果如圖5 所示。（a）圖表示淺色糠殼的橫斷面電鏡圖，圖中微孔結(jié)構(gòu)明顯，孔徑大小無規(guī)則，最大孔徑為10 μm 左右。圖片上方是糠殼內(nèi)側(cè)面，從橫截面的視角可以看到在糠殼與微孔之間有一層大約2 μm 的角質(zhì)層，正是在角質(zhì)層與二氧化硅的雙面保護(hù)下糠殼的微孔結(jié)構(gòu)不易被破壞?？窔?nèi)部分布大量微孔，可為發(fā)酵過程提供大量的氧氣，也可在取酒過程中為熱蒸汽提供足夠多的通道，讓酒精更容易揮發(fā)。（b）圖所示為深色糠殼的電鏡橫斷面圖，與（a）圖相比，可以明顯地看出糠殼內(nèi)部的微孔結(jié)構(gòu)減少，微孔中充滿了許多填充物。這樣的結(jié)果是由多種因素共同作用導(dǎo)致：一方面是因?yàn)樵诎l(fā)酵過程中有許多真菌和細(xì)菌進(jìn)入微孔進(jìn)行繁殖活動，產(chǎn)生的菌絲堵住了微孔；另一方面是因?yàn)殡S著發(fā)酵的進(jìn)行，組成微孔的主要成分纖維素、半纖維素等在被軟化的同時(shí)被緩慢分解。從（c）圖中可以看出糠殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)腐蝕比較嚴(yán)重，破壞較大，出現(xiàn)許多巨大的孔洞，纖維素、半纖維素等軟化更加明顯。從糠殼3 種不同顏色深度的橫斷面SEM 圖可以大致看出其吸水率不同的原因：淺色糠殼吸水率較大可能是因?yàn)槠鋬?nèi)部有完整的微孔結(jié)構(gòu)，將糠殼放入水中后，微孔的結(jié)構(gòu)就像蓄水池，能將水分存儲在內(nèi)部不容易流失，在宏觀看來其吸水能力更強(qiáng)；深色糠殼的吸水能力弱可能是因?yàn)槠鋬?nèi)部完整的微孔結(jié)構(gòu)遭到了破壞，當(dāng)浸入水中后并不能將水分進(jìn)行儲蓄。

圖5 出窖糠殼橫截面對比圖

3 結(jié)論

在釀造白酒中對于糠殼自身質(zhì)量的判定有一定進(jìn)展[27-28]，但在自身結(jié)構(gòu)變化上的研究還有所缺失。本實(shí)驗(yàn)將出窖糟醅中的糠殼與殘留糧粉進(jìn)行分離，以不同外觀顏色將糠殼大致分為3 類，分別對3 類糠殼進(jìn)行吸水率測試和掃描電鏡觀測。試驗(yàn)結(jié)論顯示，出窖糟中，淺色糠殼含量占比15%左右，深色糠殼含量占比80%左右，深褐色糠殼含量占比5 %左右，在發(fā)酵過程中深色糠殼占據(jù)主導(dǎo)。通過對不同顏色糠殼進(jìn)行吸水率測試，發(fā)現(xiàn)糠殼隨著顏色的變深，吸水率逐漸下降。淺色糠殼的吸水率可到110 %左右，深色糠殼吸水率40 %，深褐色糠殼吸水率僅為20%。在電鏡觀察實(shí)驗(yàn)中，3 種不同顏色的糠殼表面特征主要表現(xiàn)為附著物含量不同以及單元結(jié)構(gòu)破損程度不同，淺色糠殼內(nèi)側(cè)表面比較平整且有一定規(guī)律；深色糠殼微管單元較為模糊，表面凹凸不平，有明顯破損痕跡；深褐色糠殼內(nèi)表面破損程度加劇，微管單元幾乎消失。由糠殼表面SEM 電鏡觀察可知，在宏觀狀態(tài)下沒有什么變化，但在微觀結(jié)構(gòu)中破損逐漸加劇。通過糠殼橫截面SEM 電鏡觀察可知，淺色糠殼微孔結(jié)構(gòu)明顯，孔徑大小無規(guī)則，在發(fā)酵過程中能提供大量氧氣，也可作為“蓄水池”，為真菌、細(xì)菌等大量微生物的繁殖提供水分；深色糠殼內(nèi)部的微孔結(jié)構(gòu)減少，微孔中充滿了許多由真菌與細(xì)菌等微生物大量繁殖所帶來的填充物，導(dǎo)致其吸水能力下降，影響微生物繁殖。故在實(shí)際釀酒過程中，每經(jīng)過一輪次發(fā)酵都會往母糟中加入一定量新鮮糠殼，這樣的方法在微觀形貌表征下得以解釋。本次試驗(yàn)在一定程度上開創(chuàng)了一種新的研究思路，打破在研究釀酒糟醅時(shí)傳統(tǒng)思維中酸度、水分、淀粉含量等為主要因素的定勢想法。但目前的工作仍然還存在許多不足之處：探究技術(shù)方法有限，只能反映大致情況。接下來的工作應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注不同顏色糠殼在糟醅中構(gòu)成比例規(guī)律以及自身結(jié)構(gòu)變化，比如糠殼自身的真密度變化、氣孔大小變化和比表面積變化等，找出并總結(jié)變化規(guī)律，探究糠殼在發(fā)酵過程中自身物理結(jié)構(gòu)的演變過程，對完成濃香型白酒動態(tài)釀酒理論意義重大。