正交试验优化啤酒糖化工艺

米智，武晓红，刘荔贞*

1. 山西大同大学生命科学学院（大同 037009）；2. 山西大同大学化学与化工学院（大同 037009）

啤酒被认为是人类最古老的酒精饮料之一，是继水和茶之后世界上消耗量排名第三的饮料。啤酒是以大麦芽、酒花、水为主要原料，经酵母发酵作用酿制而成的饱含二氧化碳的低酒精度饮料，被称为“液体面包”[1]。啤酒作为一种低酒精度的麦芽饮品，因其具有良好的风味、丰富营养及良好的口感而颇受消费者喜爱[2]。2019年上半年我国啤酒产量达1 948.8万 kL，累计增长0.8%。

在现代啤酒工业中，为了降低生产成本、提高设备利用率、调节麦汁中糖和非糖的比例、降低啤酒色度、提高啤酒的发酵度、改进啤酒的泡沫性能、改良口感、风味等，在实际生产中通常会添加一定比例的辅料来代替部分麦芽[3-5]。英国食品标准协会将啤酒酿造辅料定义为“除发芽大麦外任何能产生麦汁糖的碳水化合物来源”，该标准中啤酒辅料范围较广，常见的谷物如大米、玉米、小麦、高粱，以及谷物淀粉（通常为玉米淀粉）或者淀粉糖浆，都可以作为部分麦芽的替代物。亚洲地区如我国常用大米作为辅料酿造啤酒[6-7]。

大米富含营养物质，淀粉含量高（75%～82%），无水浸出率高（90%～93%），脂肪含量较麦芽低，含有较丰富的泡沫蛋白质，基本不含多酚类物质[8]。添加大米的啤酒，口味清爽、泡沫细腻、酒花香味突出、非生物稳定性好、并且可明显改善啤酒的口感质量，清新淡爽的口感更能满足大众消费者的需求[9-10]。若大米用量过大时，会造成麦汁α-氨基氮含量过低，影响酵母的繁殖和发酵。国内一般添加量为20%～40%[11-12]。

啤酒糖化主要指麦芽和辅料中高分子贮藏物质及其分解产物，通过麦芽中各种水解酶类作用，以及水和热力作用，使之分解并溶解于水[2]。试验用大米代替部分大麦芽，分别探讨了糖化过程中52和65 ℃下保温时间、物料比和料液比4个因素对啤酒麦汁浸出物收得率的影响，通过正交试验优化啤酒麦汁糖化工艺，结合方差分析等方法寻找影响该工艺的主要因素，旨在改良糖化工艺，提高麦汁收得率。为以麦芽大米为主要原料的啤酒糖化工艺提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

啤酒大麦芽，山东豪鲁啤酒设备有限公司；青岛大花、卡斯卡特啤酒花，济南贝凯斯发酵设备有限公司；大米，五丰东北优选珍珠米；麦芽糖、葡萄糖、无水乙醇，等均为国产分析纯试剂。

1.2 仪器与设备

100 L啤酒生产线（山东豪鲁啤酒设备有限公司）；HH-6数显恒温水浴锅（国华常州仪器制造有限公司）；LXJ-ⅡB离心机（上海析域仪器设备有限公司）；PHS-3C+酸度计（上海坤诚科学仪器有限公司）；BSA124S赛多利斯精密电子天平（北京楚齐仪表有限责任公司）；752型紫外/可见分光光度计（北京普析T6新世纪）；800A多功能粉高速中药粉粹机（上海利闻科学仪器有限公司）；等。

1.3 方法

1.3.1 麦汁糖化工艺流程及操作要点

大麦芽、大米→粉碎→糖化→过滤→煮沸→添加酒花→冷却→过滤→麦芽汁[2,13]

其中糖化步骤：采用低温（37 ℃）投料浸出糖化法，适当修改[14]，即36±1 ℃保温30 min，此过程可有效浸出、活化麦芽中的糖化酶类，有助于酸的形成，原料中有机磷酸盐类开始分解，有利于β-葡聚糖的分解[15]。52±1 ℃糖化保温30～50 min使蛋白质逐渐分解，低分子含氮物质的含量逐渐上升[16-17]；64±1℃糖化保温60 min，此过程中在β-淀粉酶的作用下，麦芽糖的含量持续增加，可发酵糖含量升高，非糖比例相对较低，若将温度控制在65 ℃，可以得到最高的可发酵浸出物收得率[18-19]。70 ℃保温25 min使糖化休止，由碘试至麦芽汁不呈色时，再升温至75 ℃保温15 min，糖化结束。

1.3.2 麦芽汁糖化工艺优化单因素试验

以麦汁浸出物收得率为评价指标，对大米添加量（30.0%，32.5%，35.0%，37.5%和40.0%）、水料比（2.5∶1，3.0∶1，3.5∶1，4.0∶1和4.5∶1 mL/g）、52 ℃糖化时间（30，35，40，45和50 min）和65 ℃糖化时间（40，50，60，70和80 min）4个因素进行单因素试验，考察各因素对麦汁浸出物收得率影响。

1.3.3 麦汁糖化工艺优化的正交试验

参考1.3.2单因素试验结果，在大米添加量、水料比、52 ℃糖化时间和65 ℃糖化时间4个单因素中，分别选出3个对麦汁浸出物收得率影响最大的水平，做L9(34)正交试验。

1.3.4 麦汁糖化工艺的验证性试验

为了更好地证实正交试验对麦汁糖化工艺优化的可靠性和合理性，在正交试验优化结果的基础上，进行了3次平行试验，分别计算出该条件下的麦汁浸出物收得率。

1.3.5 麦汁中麦芽糖相对含量测定

麦汁浸出物得率测定利用比重瓶可测得麦汁的相对密度，查密度对应浓度的表可得麦汁的浓度，计算得到麦汁浸出物收得率[20-21]。

2 结果与分析

2.1 啤酒麦汁糖化工艺的单因素试验结果

2.1.1 大米添加量对麦汁浸出物收得率的影响

由图1可知，大米添加量在30%～40%范围内时，麦汁浸出物收得率随着大米添加量的增加呈先上升后下降的趋势，并在大米添加量为32.5%时麦汁浸出物收得率出现最大值，为78.6%。当大米添加量为35.0%时，麦汁浸出物收得率也高达78.5%，与大米添加量为32.5%时几乎相当。大米中含有丰富的淀粉，浸出率较高，但当大米量过多时，会增加醪液黏度，导致麦糟层不易形成，过滤不彻底，影响麦汁浸出物和可发酵性物质的收得率。因此在做正交试验时，选取大米添加量分别为30.0%，32.5%和35.0%作为3个水平。

2.1.2 水料比对麦汁浸出物收得率的影响

由图2可知，当水料比在2.5∶1～4.5∶1（mL/g）范围内时，麦汁浸出物收得率呈先急剧上升后缓慢下降的趋势，当水料比为3.5∶1（mL/g）时麦汁浸出物收得率出现最大值，为78.4%。当水料比小于3.5∶1（mL/g）时，糖化过程中的各种糖化酶可能因水分不足使得酶活力较低，当随着水料比的增大，糖化酶活性逐渐增强，进而使得麦汁浸出物收得率逐渐提高。但是水料比过大时，洗麦糟水用量将减少，麦糟中的浸出物不能充分溶于水，进入醪液中，造成浸出物有所损失，故麦汁收得率降低。因此在做正交试验时，选取水料比分别为3.0∶1，3.5∶1和4∶1（mL/g）作为3个水平。

2.1.3 52 ℃糖化时间对麦汁浸出物收得率的影响

由图3可知，52 ℃糖化时间在30～45 min范围内，麦汁浸出物收得率呈现增长的趋势，并且在糖化45min时，麦汁收得率出现最大值，为78.8%。时间再延长至50 min时，麦汁收得率略有下降，但基本与糖化45 min时的收得率相当。当52 ℃糖化时间较短时，糖化不充分、不完全，故呈现出在52 ℃糖化时，随着时间的延长，糖化酶的催化，麦汁浸出物收得率逐渐提高。若时间足够充足，即糖化时间超过45 min后，糖化基本完全，故麦汁收得率基本保持不变，甚至会损失部分浸出物，综合经济成本和试验效率等方面考虑，52 ℃糖化最适时间为45 min。因此在做正交试验时，52 ℃糖化时间分别为40，45和50 min作为3个水平。

图1 大米添加量对麦汁浸出物收得率的影响

图2 水料比对麦汁浸出物收得率的影响

2.1.4 65 ℃糖化时间对麦汁浸出物收得率的影响

由图4可知，65 ℃糖化时间在40～70 min范围内，麦汁浸出物收得率呈现增长趋势，而且在70 min时麦汁收得率出现最大值，为78.6%。当65 ℃糖化时间为60和80 min时，麦汁收得率分别为78.4%和78.5%，基本与糖化70 min时的收得率相当。当65 ℃糖化时间较短时，糖化不充分、不完全，故会出现随着糖化时间的延长，麦芽醪中的可浸出物、可发酵性物质不断溶出的现象，所以麦汁收得率会随着糖化时间的延长而提高，当糖化时间在60或70 min后，糖化基本完全、充分，故麦汁收得率基本保持不变，但为了更好地将原料充分利用，65 ℃糖化保温最适时间为70 min。因此在做正交试验时，65 ℃糖化时间分别为60，70和80 min作为3个水平。

图3 52 ℃糖化时间对麦汁浸出物收得率的影响

图4 65 ℃糖化时间对麦汁浸出物收得率的影响

2.2 啤酒麦汁糖化工艺的正交试验结果

正交试验设计见表1。

表1 L9(34)正交试验因素水平表

根据表2的分析表明，最佳的提取工艺条件为A2B2C3D1，由极差值R的大小可知各因素对试验方法的影响次序为B（水料比）＞A（大米添加量）＞C（52 ℃糖化时间）＞D（65 ℃糖化时间）。

由表3的结果可得，啤酒糖化工艺中，选取的4个因素大米添加量、水料比、52 ℃糖化时间和65 ℃糖化时间对麦汁收得率影响均不显著（F＜F0.05）。

2.3 优化条件的验证性试验

根据正交试验筛选出啤酒糖化的最佳工艺进行3组平行试验，验证正交试验结果的可靠性和准确性。测得麦汁收得率见表4。如表4所示，3组平行样数据δRSD为0.32%，满足要求，得出该糖化工艺麦汁收得率较为稳定。

表2 啤酒麦汁糖化工艺正交试验结果与分析

表3 正交试验方差分析表

表4 验证性试验测定麦汁收得率

3 结论

研究主要对以大麦芽和大米为原料的啤酒糖化工艺进行优化，首先通过单因素试验探究了大米添加量、水料比、52 ℃糖化时间和65 ℃糖化时间对麦汁浸出物收得率的影响，选择较为合适的条件范围。在单因素试验的结果上，设计正交试验，以麦汁收得率为评价指标，优化啤酒糖化工艺为大米添加量为32.5%、水料比为3.5∶1（mL/g）、52 ℃糖化时间50min和65 ℃糖化时间60 min。影响程度为水料比＞大米添加量＞52 ℃糖化时间＞65 ℃糖化时间。通过方差分析发现4个因素对麦芽汁收得率影响均不显著。通过验证性试验可知，该工艺麦汁浸出物收得率较高，78.5%，相对标准偏差较小（0.32%），试验稳定可靠。为今后研究啤酒添加大米辅料糖化工艺提供了试验依据。