高比例玉米淀粉辅料制备超高浓麦汁技术研究

常宗明 张文铎 尹 花 董建军

(啤酒生物发酵工程国家重点实验室；青岛啤酒股份有限公司，青岛 266000)

啤酒高浓酿造是使用比正常浓度更高的麦汁发酵，在啤酒生产过程后期用水稀释成正常浓度啤酒的酿造技术。该技术在啤酒厂原有设备基础上可提高糖化、发酵等的效率，扩大产量，降低能源消耗，是高效节能的啤酒酿造新技术，自20世纪70年代起至今已被广泛研究和应用[1,2]。按照发酵麦汁浓度分类，正常酿造浓度为10～13 °P，高浓酿造浓度为14～16 °P，而18 °P以上称之为超高浓酿造。且发酵浓度越高，生产效率及成本优势越突出[3,4]。

生产高浓度麦汁，增加投料量和在麦汁煮沸时加糖或糖浆提高浓度是最主要的2种方法。第一种方法糖化醪液浓度高，过滤残糖高、麦汁损耗大，工业化生产麦汁浓度一般不超过14.5 °P，做不到18 °P以上的超高浓度[5]，特别是高比例(≥50%)玉米淀粉的使用会造成麦汁过滤堵塞，延长麦汁过滤时间，影响生产效率[6]。第二种方法，使用糖浆提高浓度，不影响糖化和麦汁过滤，容易工业化[7]。

适合啤酒酿造用的糖浆类型很多，通常以玉米淀粉为原料，在糖浆厂转化成品后供啤酒厂使用[8,9]。糖浆的制备方法主要有3种：酸解法、酸酶结合法以及酶法[10]。随着酶制剂工业的发展，酶法制糖因其较高的转化率、温和的反应条件等优势得到了广泛应用，已经替代传统的酸解工艺。赵宇星[11]以玉米淀粉为原料，使用α-淀粉酶、β-淀粉酶及普鲁兰酶协同糖化制备麦芽糖浆，用于啤酒酿造，但糖化时间长达34 h。Son等[12]对由碎米生产超高浓度麦汁的液化、糖化、发酵的同步制糖工艺进行了研究。在中试规模下，使用α-淀粉酶、葡糖淀粉酶、β-淀粉酶后，制糖时间由144 h缩短为120 h。然而其中糖浆的制备周期普遍较长，尚无法在啤酒厂内实现转化和连续投料生产[13-15]。

本研究为实现高比例玉米淀粉辅料在超高浓酿造中的应用，研究了玉米淀粉多酶法水解工艺，在实验室条件下，利用单因素实验和响应面实验优化酶制剂组合和添加量，确定制备糖浆的工艺参数。同时进行中试放大实验，评估新工艺生产超高浓麦汁及酿制啤酒的可行性。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

酵母菌株；大麦芽(加麦Copeland)；小麦芽；玉米淀粉；食品级乳酸；α-淀粉酶(耐高温型)、酶活力≥120 KNU-S/mL，葡糖淀粉酶(低卡路里型)、酶活力≥400 AGU/mL，普鲁兰酶、酶活力≥400 PUN/mL；无水葡萄糖、蔗糖、麦芽糖、麦芽三糖、麦芽四糖等试剂，均为分析纯。

1.2 仪器与设备

D-47055型糊化仪，PB-10 型pH 酸度计，HH-S4数显恒温水浴锅，202-3AB 型电热恒温干燥箱，Waters Alliance 2695液相色谱仪，1 000 L糖化设备，2 000 L啤酒发酵罐。

1.3 方法

1.3.1 超高浓麦汁制备工艺

麦芽在糖化锅中完成糖化后经过滤槽过滤得到的麦汁在煮沸锅煮沸，在煮沸结束前10min添加玉米淀粉水解糖浆来提高麦汁浓度，经回旋沉淀、冷却，得到超高浓麦汁。

1.3.2 玉米淀粉水解制备糖浆工艺

如果要在糊化锅中将淀粉转化为糖浆，实现超高浓麦汁工业化生产，需满足：糖浆可发酵性糖含量应与普通麦汁相近；糖浆的制备时间不能过长，否则会限制日投料批次、降低生产效率；要控制酶制剂用量，成本不宜过高。同时，考虑到酶制剂的最适作用温度以及控制淀粉水解时间在180 min内完成的目标，制糖工艺为：

调浆：糊化仪设定相关工艺参数，将110 g淀粉和50 ℃酿造水，按淀粉：水质量比1∶(2.5～3.5)调浆，加入硫酸钙0.3 mg/g淀粉，综合考虑所用酶制剂的最适pH范围，使用乳酸调节pH至5.0～6.0；

一次液化：α-淀粉酶添加量10～30 KNU-S/g淀粉，升温至70 ℃，实现α-淀粉酶对淀粉液化水解，升温速率为0.8～1.5 ℃/min，保温15 min；

糖化：将一次液化好的醪液，加入低于20 ℃的酿造冷水，调节醪液温度为60 ℃，达到葡糖淀粉酶和普鲁兰酶的最适作用温度，进行协同糖化，进一步水解成糖。葡糖淀粉酶添加量13-39 AGU/g淀粉，普鲁兰酶添加量0.07～0.28 PUN/g淀粉，糖化时间为80 min；

二次液化：将糖化完毕的醪液，按照升温速率0.8～1.5 ℃/min，升温至90 ℃保温20 min后，进行二次液化，在α-淀粉酶的最适作用温度下高效分解残余的难糊化淀粉；

升温灭酶：将二次液化好的醪液按照0.8～1.5 ℃/min升温至100 ℃，保温15 min灭酶，实现糖浆组分的固定化，制得糖浆。

1.3.3 玉米淀粉水解制备糖浆单因素实验

DE值是还原糖(以葡萄糖计)含量占糖浆干物质的百分数，其大小与淀粉水解程度成正比。DE值的控制实际上是对可发酵性糖与糊精比例的控制，决定着啤酒可发酵性和口感等重要因素[16]。因此，本研究选择以DE值为指标，研究pH、α-淀粉酶、葡糖淀粉酶及普鲁兰酶的使用对DE值的影响。各单因素水平选择：pH分别为4.5、5.0、5.5、6.0、6.5；α-淀粉酶添加量分别为60、100、140、180、200 μL；葡糖淀粉酶添加量分别为40、60、80、100、120 μL；普鲁兰酶添加量分别为20、40、60、80、100 μL。

1.3.4 玉米淀粉水解制备糖浆响应面优化实验

在单因素实验的基础上，根据Box-Behnken中心组合设计原理，以DE值作为评价指标，对酶的添加量进行响应面实验设计优化，利用Design expert 10.0.4软件进行数据分析，并使用获得的最佳工艺参数条件，按照1.3.2的工艺进行验证实验。

1.3.5 玉米淀粉水解制备糖浆中试放大实验

按照响应面优化实验确定的工艺参数，进行1 000 L中试放大实验，研究新的高浓麦汁制备工艺的生产可行性，并进行啤酒发酵实验，确定对啤酒口味质量等的影响。

1.3.5.1 糖化配方及工艺

糖化配方：原麦汁浓度18 °P；加麦∶小麦芽∶玉米淀粉35%∶15%∶50%。

制糖工艺：同1.3.2。

糖化工艺：麦芽经麦芽粉碎机粉碎后投料至糖化锅，50 ℃休止30 min，65 ℃糖化80 min，醪液碘反应合格后升温至76 ℃进行过滤，麦汁过滤结束加入适量颗粒酒花煮沸60 min，并且将按照1.3.2方法制备的淀粉糖浆在麦汁煮沸结束前10 min添加到煮沸锅中。最后经麦汁回旋沉淀槽回旋15min，再经薄板冷却获得18 °P超高浓麦汁。

1.3.5.2 发酵工艺

麦汁入发酵罐时充氧，控制溶解氧13 mg/L，两批麦汁满罐，第一批麦汁冷却时流加青岛啤酒选育的高浓酵母，控制满罐温度在9.5 ℃，自然升温至主发酵温度11 ℃，当糖度降至5.6 °P后升温至还原温度13 ℃，双乙酰降至50 μg/L时降温至-1～0 ℃贮酒7 d滤酒。

1.4 分析方法

1.4.1 DE值的测定

水解结束后立即用双层定量滤纸过滤，并采用斐林滴定法测定DE值[15]。

1.4.2 糖谱分析

参照Hebeda[17]的方法进行糖谱分析。

1.4.3 理化指标分析

按照ASBC[18]方法对麦汁浓度、色度、α-氨基氮、pH、浊度、总酸、发酵度等进行测定。

滤酒经硅藻土过滤后添加稀释水稀释成8 °P，再进行灌装、杀菌，制得成品，按照标准方法及ASBC方法进行啤酒理化指标的测定[18,19]。

1.4.4 啤酒感官品评

邀请5位国家级专业品酒委员对啤酒的外观、成熟度、新鲜度、香气、可饮性、醇酯风味和酒体共7个维度进行评价。感官评价采用5分制，得分越高表示评价越好。

1.4.5 数据处理与分析

数值表示为平均值±标准差，单因素实验重复3次，数据采用Design expert 10.0.4进行方差及显著性分析，采用Origin2018进行绘图。

2 结果与分析

2.1 玉米淀粉水解制备糖浆新工艺单因素实验研究

2.1.1 pH对DE值的影响

由图1可见，当糖化液pH为5.0时，DE达最高值为50.8±1.8，随pH的升高，DE值逐渐下降。当糖化液pH低于4.5或高于6.5时，DE值明显降低(未在图中体现)，且糖化液出现浑浊，碘反应不完全。但当pH低于5.5时，由于加酸量过多将导致啤酒口味变酸，影响到口感，因此最终确定pH控制范围为5.5～6.0。

图1 糖化液pH值对DE值的影响

2.1.2 酶添加量对DE值的影响

由图2可见，使用三种酶制剂时，DE值均随酶添加量的增加而增加。当α-淀粉酶添加量达到140 μL后，DE值变化趋于平稳，最高值为41.3±0.8。而当葡糖淀粉酶添加量达到60 μL时，DE值便达到50以上。而当添加量进一步增加至100 μL时，DE值可提高至60以上，最高值为64.5±0.9。当普鲁兰酶添加量为100 μL时，最高值为54.7±1.5，DE值的整体变化趋势平缓。

图2 酶添加量对DE值的影响

2.2 玉米淀粉水解制备糖浆新工艺响应面优化实验

2.2.1 实验设计与结果

为达到糖浆DE≥50、制糖时间≤180 min设计目标，采用响应面法进行优化实验，选取α-淀粉酶、葡糖淀粉酶、普鲁兰酶作为影响因子，综合考虑各因子之间的交互作用对糖化液DE值的影响，根据单因素实验结果设计3因子3水平，4个中心点，共16组实验，各因子及水平见表1，实验设计及实验结果见表2。当α-淀粉添加量为140 μL，葡糖淀粉酶添加量为80 μL，普鲁兰酶添加量为40 μL时，DE最高值为65.2。

表1 响应面实验因素水平编码表

表2 响应面实验设计与结果

2.2.2 方差分析

对实验结果进行方差分析，结果见表3。模型显著性检验P值为0.000 5(P<0.05为影响显著)，失拟项为0.001 2(Lack of Fit>0.05为影响不显著)，说明实验得到的数据结果与模型吻合度较好，表明该模型具有统计学意义。α-淀粉酶、葡糖淀粉酶是影响糖化液DE值的主要因素，而普鲁兰酶是非主要因素。

表3 响应面分析实验的回归模型分析结果

2.2.3 建立二次响应面回归模型

利用Design expert 10.0.4软件进行数据处理，确定的回归方程为：

DE值=50.8+6.65A+5.35B-0.1C+0.67AB-0.53AC-0.38BC+2.29A2-2.36B2-0.31C2

式中：A为α-淀粉酶编码值；B为葡糖淀粉酶编码值；C为普鲁兰酶编码值。

回归方程R2=0.972 9，CV=3.38%，表明方程拟合度好，失拟较小，可以用该方程代替真实实验结果进行分析。

2.2.4 响应因子水平优化解决方案

由二次回归方程得出的最优酶配方组合为：α-淀粉酶添加量140 μL，葡糖淀粉酶添加量80 μL，普鲁兰酶添加量40 μL，预测糖化液DE值为64.1，实际测定糖化液DE值为65.2，拟合度为98.29%。考虑到添加普鲁兰酶的成本较高，得到最终的酶配方为：α-淀粉酶140 μL、葡糖淀粉酶60 μL、普鲁兰酶20 μL。

2.2.5 最佳酶配方验证

从表4可见，在最佳酶配方下制备的糖浆DE值为55.0，满足设计要求。放大实验与小试实验糖组分相近。可发酵性糖比例满足设计要求，但糖浆中的葡萄糖含量偏高。

表4 玉米淀粉制糖关键质量指标对比

2.3 玉米淀粉水解制备糖浆新工艺中试放大实验

按照1.3.2的制糖方法以及1.3.5.1的糖化方法以及1.3.5.2的发酵方法进行扩大实验，跟踪实验过程关键参数，并分析冷麦汁及成品啤酒的理化指标，验证制得的糖浆在啤酒酿造中的可行性。

2.3.1 中试放大实验过程

2.3.1.1 中试实验糖化过程关键控制参数

从表5可见，实验麦汁制备工艺解决了玉米淀粉辅料生产高浓麦汁的过滤瓶颈，过滤时间110 min，残糖1.0 °P，浸出物收得率达到98.2%，满足设计要求。按照制糖时间180 min计算，日糖化投料批次达到8批，效率可以达到与常规工艺相同。

表5 中试实验糖化关键控制参数比较

2.3.1.2 中试实验糖化关键质量指标

从表6可见，采用实验工艺制备的超高浓麦汁与常规工艺制备的14 °P麦汁在pH、浊度、总酸等指标上没有明显差别。麦汁极限发酵度相近，表明可发酵性糖含量无明显差别。色度、α-氨基氮指标随麦汁浓度增加而增大。均满足工艺标准的要求。

表6 糖化冷麦汁指标

2.3.2 中试实验啤酒理化指标及品评结果

中试实验啤酒的理化指标如表7所示，5名国家级啤酒评委品评结果如图3所示。从表7可见，主要理化指标，实验啤酒与普通啤酒无明显差异，满足GB/T 4927—2008要求。由图3可见，实验啤酒与普通啤酒在外观、香气、醇酯等维度上无明显差异，泡沫洁白细腻，酒体柔和协调，爽口，可饮性强，接受度100%。

表7 成品啤酒理化指标

图3 感官品评结果

3 结论

使用α-淀粉酶、葡糖淀粉酶及普鲁兰酶三种酶制剂协同水解玉米淀粉制备糖浆的新工艺，单因素与响应面实验结果表明，α-淀粉酶及葡糖淀粉酶对糖化液DE值的影响最大。综合考虑酶制剂成本后确定的酶制剂添加量为：α-淀粉酶140 μL，葡糖淀粉酶60 μL，普鲁兰酶20 μL，在此条件下，中试验证实验糖浆DE值达到55.0，满足设计目标要求。开发的三段式水解工艺制糖时间缩短到3 h以内，制糖效率的提升可以实现玉米淀粉在啤酒厂利用现有设备转化为糖浆。使用50%玉米淀粉辅料制备18 °P超高浓麦汁的生产工艺经酿酒实验评估，可在啤酒厂工业化连续生产，酿制的啤酒满足国家标准的要求，日糖化投料批次达到8批，生产效率提高28%，同时进一步降低了能源消耗及成本，提高了经济效益。