超声处理对大麦酒糟微观结构的影响

王 洋

（潍坊工程职业学院，山东青州 262500）

近年来，超声波技术在天然活性成分提取和促进传质方面有着广泛的应用，它是一种弹性波，穿透力强，能加快有效成分的转移和提取，缩短提取时间，提高效率[1]。超声波对底物蛋白酶解作用的效果主要是由于超声波的物理机械作用及化学效应，而这两种作用主要体现在对酒糟的微观结构上[2,3]。在啤酒酿造中，选择大麦为原料可以显著地降低能耗及对环境的污染。但未发芽大麦颗粒坚硬，韧性大，粉碎较困难，大麦内容物不易溶解，麦汁浸出率低。前期笔者已经研究了超声辅助大麦啤酒糖化的工艺，得到了最佳的工艺参数。在此基础上，本文主要研究了超声处理对大麦酒糟微观结构、纳米力学性能的影响。通过研究能更好地了解超声波技术对大麦酒糟结构的影响，并将超声波技术应用于啤酒生产中，对大幅度降低生产成本有重要的意义。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 试验材料

大麦，由永顺泰（昌乐）麦芽集团有限公司提供。诺维信Ondea Pro酶，由诺维信中国生物技术有限公司提供。葡萄糖、木糖、果糖、麦芽糖等标准品，北京鼎国昌盛生物技术有限责任公司提供。其他试剂包括酒石酸钾钠、苯酚、纯钼酸钠、硼酸、氢氧化钠、甲醇、磷酸等，均为国产分析纯。

1.1.2 仪器与设备

多模式超声波试验台，江苏大学自行研制；PHS-3C精密pH计，上海精密科学仪器有限公司；LD5-2A离心机，北京医用离心机厂；JSM-64690LV扫描电镜，日本电子公司；Nicolet IS50傅里叶变换红外光谱仪，美国尼高力仪器公司；Multimode 8原子力显微镜，美国Bruker公司；Bruker ScanAsyst探针，美国Bruker公司。

1.2 试验方法

1.2.1 大麦酒糟的超声处理

把粉碎好的大麦和水按1:4的比例进行称取，置于37℃水溶液中，搅拌混匀后，按照最佳的工艺参数进行超声波辅助处理，具体参数是超声功率为831W、超声处理时间为31min、水浴温度为44.13℃。超声处理结束后搅拌升温至50℃，按照大麦质量0.2%比例连续搅拌添加Ondea Pro酶，静置50min；而后搅拌升温至63℃，静置50min；而后搅拌升温至68℃，静置60min；而后搅拌升温至78℃，静置20min，过滤得到酒糟。得到酒糟进行冷冻干燥，微粉粉碎，烘干后，对样品进行微观结构的分析，探索超声波对大麦内容物破碎程度的影响。

1.2.2 扫描电子显微镜（SEM）分析

分别准确称量10mg最优超声辅助和未经超声辅助大麦啤酒糖化过滤得到酒糟，加入溴化钾至3000mg，混合研磨均匀，压制成薄片，用红外光谱仪在400～4000cm-1范围内全波段扫描。

扫描条件为：扫描次数32次，分辨率为4cm-1。测定前先扫描溴化钾背景光谱，酒糟和溴化钾混合物的光谱扣除背景光谱后，即为酒糟的红外光谱。

1.2.3 傅立叶红外光谱分析

取适量（约1～2mg）被烘干的待测样品放入玛瑙研钵中，然后加入适量的KBr（约100mg，粒度200目）进行稀释，把经稀释过的样品在红外灯照射下研磨，磨成粉末状为止。把研磨好的样品粉末取适量装入磨具内，放入压片机中进行压片，制成的样品要薄且均匀。把压好的片装入样品夹，制样结束。将样品放于样品夹上，然后插入仪器样品室的固定位置上进行扫描。

1.2.4 原子力显微镜

酒糟的微观形貌图，纳米力学图利用原子力显微镜进行表征[4]，显微镜工作原理见图1。具体操作为：分别取5mg样品粉末溶于10mL 0.01mol/L磷酸盐缓冲液（pH 8.0）中，4000r/min离心 10min，取上清液 5μL均匀分散到新鲜剥离的云母片表面，然后加盖置于通风橱中1h（25℃）。

原子力显微镜扫描条件为：采用峰值力PeakForce QNM模式和Bruker ScanAsyst探针以蓝宝石为校正基底进行校正；校针系数为：偏转灵敏度为28.8nm/V，弹性系数为39.96N/m，针尖半径为9.2nm；扫描范围为5μm×5μm，可同时得到微观形貌图。对得到的图谱采用Bruker离线分析软件Nanoscope Analysis V1.5进行分析和计算，得到样品的表面粗糙度。

图1 布鲁克多通道原子力显微镜工作原理图Fig.1 Multimode atomic force microscope and its working principle figure

2 结果与分析

2.1 超声处理对大麦酒糟组织结构的影响

未经超声处理酒糟、经超声处理的酒糟的微观结构如图 2、3（见下页）所示。

从图2中可以看出，未经超声辅助处理的酒糟微观结构，酒糟表面结构紧密，其结构会阻碍大麦内容物的溶解，造成普鲁兰复合酶（Ondea Pro）与大麦本身含有的各种蛋白酶和β-淀粉酶之间的协同作用不彻底。从图3中可以看出，经超声辅助处理的酒糟微观结构，其表面结构被破坏，露出里面纤维素结构，经超声处理后降低了纤维素的结晶度，增加了普鲁兰复合酶（Ondea Pro）与大麦本身含有的各种蛋白酶和β-淀粉酶以及大麦本身内容物的有效接触面积，从而提高了大麦麦汁的麦芽浸出率。

图2 未经超声辅助处理酒糟表面扫描显微镜图Fig.2 Scanning electron microscop of distiller's grains by non-ultrasound

图3 超声辅助处理酒糟表面扫描显微镜图Fig.3 Scanning electron microscop of distiller's grains by ultrasound

2.2 超声处理对大麦酒糟傅里叶红外光谱的影响

超声处理引起了酒糟微观结构的变化，这些都会伴随着化学键和蛋白质空间结构的变化。傅里叶变换红外光谱是分子振动光谱，它可以用来分析酒糟中成分的变化，并且不受样品所处物理状态的影响[5]。红外技术用来分析二级结构含量主要是依靠酰胺Ⅰ带（1600～1700cm-1）的C=O伸缩振动。选取用最优超声辅助与未经超声辅助大麦啤酒糖化过滤得到酒糟用NEXUS型傅里叶变换红外光谱仪观察酒糟成分吸收峰的变化，其结果如图4、图5所示。

图4 未经超声辅助处理酒糟表面红外光谱图Fig.4 Fourier transform infrared spectroscopy of distiller's grains by non-ultrasound

图5 超声辅助处理酒糟表面红外光谱图Fig.5 Fourier transform infrared spectroscopy of distiller's grains by ultrasound

图4中的波长值3412cm-1，是未经超声辅助处理的酒糟的羟基的缔合吸收峰，因此酒糟中含有较多的碳水化合物，而图5中的羟基缔合吸收峰几乎看不到，由此可以看出，经过超声波辅助处理后大麦内容物溶解地更彻底，这是因为超声的空化作用和机械作用可以打乱酒糟的结构，从而增加了酶与大麦内容物的有效接触面积，使大麦内容物能更好地溶解。

2.3 超声处理对大麦酒糟纳米结构的影响

原子力显微镜能在纳米水平上真实地反映酒糟的微观形貌，未经超声处理与经超声处理的酒糟的纳米结构见图 6、图 7（见下页）。

图6 未经超声辅助处理酒糟的纳米结构图Fig.6 Nanostructure images of distiller's grains without ultrasound treatment

图7 超声辅助处理酒糟表面的纳米结构Fig.7 Nanostructure images of distiller's grains with ultrasound treatment

从图6、7可以看出，经超声处理后，酒糟表面结构比较疏松，且颗粒的数目增加；酒糟表面颗粒的高度有所增大，并且酒糟表面有超声破坏的痕迹，即微小破洞。分析这一现象可能是因为超声的空化效应和机械效应相互作用使酒糟颗粒发生空化气泡的剧烈反应。

表1 超声处理对酒糟的表面粗糙度的影响Table 1 Effect of ultrasound treatment on surface roughness of distiller's grains

由表1中的数据可知，平均粗糙度低于均方根粗糙度，即Ra

3 结论

超声波辅助处理后大麦酒糟表面结构更疏松。表面粗糙度增加可以明显加快大麦内容物的溶解，增加酶与大麦内容物的有效接触面积，加速淀粉的分解，提高大麦糖化力和麦芽浸出率。

[1]王秀丽,王家林.不同糖化工艺对大麦啤酒的麦汁质量的影响[J].食品研究与开发,2012,(10):153-155.

[2] 刘斌.基于超声波预处理的麦胚ACE抑制肽酶法制备技术研究[D].镇江:江苏大学,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.