酿酒原料高粱对白酒品质影响的研究进展

蒋力力，尹艳艳，杨军林，田栋伟，冯小兵，陈明学，程平言

（贵州茅台集团（酒厂）习酒有限责任公司，贵州 遵义 563000）

中国白酒是世界六大蒸馏酒之一，以谷物为原料，通过蒸煮、发酵后蒸馏、勾调而成。白酒的品质决定其价值，而影响白酒品质最重要的原因之一就是酿酒原料。高粱（Sorghum bicolorL.）是茅台、泸州老窖、五粮液等著名白酒最重要的酿酒原料，被广泛使用。我国高粱主要有东北、华北、西南三大主产区，涉及198个品种，例如帚用高粱新丰218、甜高粱沈农甜杂2号、食用高粱冀梁2号、酒用高粱泸州红1号、国窖红1号等，其中茅台专用品种红樱子因支链淀粉含量高、单宁含量适中、种皮厚、耐蒸煮、耐翻糙、出酒率高等特点成为了目前中国推广面积最大的酿酒高粱品种[1]。高粱品质对白酒酒质及出酒率有直接影响，其风味及化学物质的结构、含量及比例等都会影响白酒品质，主要包括：①高粱理化性质对白酒酿造性能的影响：粒质量、粒大小、硬度、胚乳质地等影响原料耐糙性、润粮时间等工艺参数；②高粱成分对白酒发酵过程的影响：蛋白质作为氮源促进微生物生长、单宁可以抑制杂菌；③高粱成分代谢产物对白酒风味品质的影响：淀粉是酒精的重要来源，蛋白、脂肪等分解成小分子化合物构成酒体风味成分；因此高粱的选择对于酿造优质白酒起着至关重要的作用[2-3]。近十年，酿酒高粱在新品种选育、分子遗传学研究取得了巨大进展，育成了71个矮杆耐密、适宜机械化作业的酿酒专用高粱新品种，建立了首个高粱全基因组结构变异数据库，为高粱功能基因遗传机制解析与分子育种奠定了基础[4]。

目前，随着白酒行业的快速发展，诸多酒企及科研院所开始重视对高粱品质的研究，通过研发一系列高粱成分快检技术，建立原料生产基地，制定验收标准等措施，从源头上保障白酒品质。本文概述了高粱风味物质、淀粉、蛋白质、脂肪、单宁、无机元素成分的组成、结构、含量及其在酿造过程中的代谢过程；总结了高粱成分与白酒出酒率及风味品质关系；归纳了与之相关的检测技术，为研究酿酒原料与白酒品质的关系，建立科学合理的原料验收标准，为提高白酒品质提供参考。

1 高粱中的风味物质及检测方法

1.1 高粱中的风味物质

葡萄风味物质对葡萄酒典型风味的形成起着重要作用[5-6]，白酒感官品评中也常用粮香、生粮香、木香、青草香、花香等评价酒体风格，表明酿酒原料本身就带有风味物质能够进入酒体，影响白酒风味品质。酿酒原料中的风味成分包括游离态和结合态两类。游离态风味成分通常是易挥发的小分子化合物，结合态风味成分则是风味物质前体物，在发酵过程中经热、酸或酶作用释放形成游离态风味成分进入酒体，含量可达原料中游离态风味物质的2～8倍[7]。高粱中含有多种风味物质，如图1所示，壬醛、β-苯乙醇、反-2-辛烯醛等都是重要香气活性化合物。

图1 高粱部分风味物质轮廓图Fig. 1 Outline map of some flavor substances in sorghum

目前，对高粱游离态化合物的研究显示，风味物质随高粱产地、品种不同存在较大差异。吴幼茹等[8]研究发现，高粱香气强度显著，共鉴定出106种香气物质，酯类、醇类、醛类、烷烃类、芳香类是主要香气成分，而萜类物质仅在高粱中嗅闻出。ZANAN R等[9]鉴定了高粱籽粒中29种挥发性化合物，包括醇类、烷烃类、萜烯类、酮类、脂肪醛类化合物，其中三种杂环化合物，2-乙酰基-1-吡咯啉（爆米花味），2,3,5-三甲基吡啶（霉味）、苯并噻唑（蔬菜味、坚果味）是高粱籽粒中重要风味贡献物质。游离态风味物质在发酵过程中直接进入酒体，影响白酒风味品质。

高粱结合态物质通过酸或酶解后释放，两种水解方法研究结果存在一定差异，酸解产生较多芳香族类、醛类、萜类化合物，酶解产生较多酮类、酯类化合物。经酸水解，糯高粱与梗高粱结合态风味物质含量相近，其中醇类化合物含量最高，醛类化合物次之，呋喃类化合物最少，物质总含量低于麸皮和小麦，高于玉米和豌豆。通过酶解，高粱结合态风味物质总含量与酸解相近，为麸皮＞小麦＞高粱＞豌豆＞玉米，其中醛酮类物质含量最高，萜类物质含量最低。此外，对重要结合态糖苷类物质的研究表明，高粱中葡萄糖苷含量最高，与麸皮相当，约为5 000 mg/kg，是小麦的10倍，玉米的30倍；2-苯乙基-β-D-吡喃葡萄糖苷是白酒重要风味物质β-苯乙醇的前体，其在高粱中含量约为550～620 μg/kg[10-11]，仅低于麸皮而高于其他谷物。高粱结合态化合物远比游离态化合物丰富，糖苷类物质含量高，水解后形成大量醛酮类和萜类化合物。丰富的风味物质及其前体物质可能是“高粱酿酒香”的重要潜在因素[12]。

1.2 高粱中风味物质的检测

高粱风味物质的检测方法主要包括同时蒸馏萃取（simultaneous distillation extraction，SDE）、顶空固相微萃取（head space-solid phase microextraction，HS-SPME）结合气相色谱-质谱联用（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）、气相色谱-嗅闻-质谱联用（gas chromatographyolfactometry-mass spectrometry，GC-O-MS）等技术[13-15]。如陈双等[16]通过比较顶空固相微萃取、固相萃取和液相萃取，最终利用HS-SPME-GC-MS在蒸熟高粱中鉴定出46种挥发性香气成分。STARR G等[17]利用HS-SPME-GC-MS鉴定了小麦中72种挥发性化合物，并发现不同产地品种小麦挥发性成分剖面差异。吕佳慧等[10]利用N,O-双（三甲基烷基）乙酰胺（N,O-bis（trimethylsilyl）acetamide，BSA）衍生化结合GC-MS建立了一种间接检测原料中糖苷类物质的检测方法，并鉴定了3种风味成分前体物质。朱伟岸等[11]建立了一种原料结合态香气物质提取方法，并利用HS-SPMEGC-MS鉴定了35种化合物。

2 高粱中化学成分及检测方法

2.1 高粱中的淀粉

2.2.1 高粱中淀粉在酿酒过程中的代谢过程及结构性质

高粱中的淀粉由葡萄糖分子缩合而成，总含量为65.3%～81.0%，是高粱的主要成分。高粱淀粉在酿酒过程中主要代谢过程如图2所示，在以霉菌为主的微生物作用下发生糖化反应生成葡萄糖、果糖，再经酵母乙醇发酵和糖酵解生成丙酮酸，进一步形成醛类、醇类、酯类等风味物质，影响酒体风味品质。其中白酒中大部分酸类物质就来源于糖代谢，例如，葡萄糖经歧化作用生成乙酸，通过丁酸发酵生成丁酸，醋酸菌、已酸菌氧化乙醇生成乙酸和已酸。这些酸类物质呈味明显，能够协调酒体、消减苦味，是白酒后味的重要组分[18-20]。

图2 高粱淀粉在酿酒过程中主要代谢过程Fig. 2 Main metabolic processes of starch in sorghum during brewing process

高粱中的淀粉组成分为直链淀粉和支链淀粉，其结构与性质如表1所示，直链淀粉由单葡萄糖分子通过α-D-1,4糖苷键连接而成，链长约250～670个单位，呈线性螺旋状，内部存在一个疏水螺旋腔。支链淀粉是构成淀粉颗粒的主要成分，呈分支螺旋形，主链结构由葡萄糖通过α-D-1,4糖苷键连接形成，分支由葡萄糖分子通过α-D-1,6糖苷键连接而成，一般分为A链、B链、C链，平均链长为18～25个单位，聚合度较大。淀粉的食品性极大程度上取决于两种淀粉的含量和分子量，能影响淀粉的消化率、溶胀和糊化等，是影响白酒酿造过程中工艺参数控制的关键因素[21]。

表1 高粱中直链淀粉和支链淀粉的结构与性质Table 1 Structure and property of amylose and amylopectin in sorghum

高粱淀粉含量及结构是影响白酒出酒率的关键因素。白酒中乙醇主要来源于淀粉，按（C6H10O5）n+nH2O→2nC2H5OH+2nCO2计算，原料理论出酒率约为淀粉含量的57%，一般而言，淀粉含量与出酒率呈正比[22]。淀粉结构对出酒率的影响表现为两种淀粉经糊化后具有不同的粘结性和吸水性，能够影响微生物的利用效率，进而影响发酵过程。支链淀粉因存在大量分支结构，在相同条件下更容易吸水发生糊化，被微生物吸收利用，而直链淀粉不易糊化、易回生，还能与脂质结合，抑制润胀，影响发酵，因此，支链淀粉含量高的高粱有利于产酒。此外，直链淀粉含量高，在发酵前期生酸慢，总淀粉量较高，导致发酵中后期生酸增多，酯类的分解作用大于酯化作用，造成酸多、酯高，尤其是乳酸乙酯含量增高，引起酒体口感变化[23-25]，因此，直链和支链淀粉含量是酿酒高粱选择的一个重要指标。在酱香型白酒酿造过程中，要求糯高粱总淀粉含量应＞70%，其中支链淀粉含量＞90%。

2.1.2 淀粉的检测方法

淀粉的检测方法包括旋光法、酶/酸解法、光谱法、碘亲和力滴定法、近红外光谱分析法、双波长法、伴刀豆球蛋白法等。旋光法和酸/酶解法相对简单，但仅能测出淀粉总含量。光谱法中直链和支链淀粉与碘分别生产蓝色和紫色复合物，混合淀粉则随两者组分比例呈现不同程度的蓝紫色，通过紫外比色法即可测定出直链淀粉含量，但是该法受到支链淀粉影响结果偏高，且不能检测支链淀粉含量，不能满足检测要求。双波长法可以同时检测支链、直链及总淀粉含量，且结果相对准确，适用于酿酒高粱淀粉检测[26-29]。范明顺等[30]以直链淀粉测定波长620 nm和479 nm，支链淀粉测定波长为556 nm和737 nm，建立了准确率高、重复性好的高粱淀粉检测方法，适于批量分析。

2.2 高粱中的蛋白质

2.2.1 高粱中蛋白质的组成及在酿酒过程中的代谢过程

蛋白质是由氨基酸组成的具有特定结构的高分子化合物，是细胞的重要组成成分；在高粱中，蛋白质的含量仅次于淀粉。高粱品种不同蛋白质含量有较大差异，主要受基因、生长环境和施肥量影响。高粱蛋白按照溶解性不同可分为醇蛋白、谷蛋白、清蛋白和球蛋白，其中醇蛋白和谷蛋白含量较高，约占蛋白总量的70%～90%，作为籽粒贮藏蛋白，微生物利用率低；清蛋白和球蛋白含量较少，但氮溶解指数高，易被微生物利用，在发酵过程中与细菌多样性及代谢产物多样性显著相关，是白酒发酵过程中的关键蛋白[31-32]。蛋白质作为微生物的氮源，与出酒率相关，其水解成的各类氨基酸能驱动酿造微生物群落演替及风味代谢，是影响白酒风味品质的重要因素。

高粱蛋白在酿酒过程中主要代谢过程如图3所示，在微生物作用下生成氨基酸；蒸煮过程中，经加热发生脱羧或脱氨作用进一步生成各类风味物质，如含硫氨基酸受热可产生噻唑类、噻吩类等挥发性强、阈值低的风味化合物；在发酵过程中，氨基酸也会在脱氨酶、氧化酶作用下生成α-酮酸，再经脱羧作用生成醛类物质，进一步转化为高级醇、酯和酸等白酒重要呈香物质，例如，亮氨酸生成具有香蕉味的乙酸异戊酯、苹果味的异戊酸乙酯、柿子香的2-甲氧基-3-异丁基吡嗪[33-34]。

图3 高粱蛋白在酿酒过程中主要代谢过程Fig. 3 Main metabolic processes of protein in sorghum during brewing process

美拉德反应则是蛋白质对白酒风味品质影响的另一方面体现，还原糖羰基端与氨基酸氨基反应生成希夫碱，经重排后生成阿马多利化合物：1-氨基1-脱氧2-酮糖，是重要的不挥发香味物质前体物；主要形成吡喃类衍生物与酮醛、呋喃类衍生物、醛及吡嗪类衍生物三大类，在以高粱为单一原料的酱香型白酒酿造过程中，主要发生1,2-烯醇化类反应，生成呋喃类衍生物-糖醛类物质。氨基酸通过美拉德反应生成的四甲基吡嗪、乙缩醛、5-羟基麦芽酚、3-羟基丁酮等都是白酒中重要呈香风味物质[35]。氨基酸代谢产生的风味物质种类多，呈香强烈，是白酒香气风味最主要的组成部分。但是高粱蛋白含量过高，在发酵过程中易滋生大量杂菌，产酸升高，生成生物胺、杂醇油等物质，使酒体产生邪杂味，危害身体健康，因此酒用高粱蛋白质含量在7%～9%较合适[36]。

2.2.2 蛋白质的检测方法

蛋白质检测包括提取与检测两部分，由于高粱籽粒淀粉与蛋白质结合紧密，提取方法依据蛋白质种类的不同而略有差异。例如有机溶剂萃取、还原剂提取适用于醇蛋白提取；而碱提酸沉适用于谷蛋白提取；超临界萃取技术、超声波辅助提取法也是谷物蛋白常见提取方法[37-40]。目前，高粱中粗蛋白质检测方法主要包括凯氏定氮法、分光光度法及液相色谱法。冯兴垚等[41]利用凯氏定氮法和氨基酸自动分析仪检测了3种不同高粱的粗蛋白和氨基酸含量，并比较了不同高粱酿造基酒风味成分。蛋白质基本单位氨基酸则经离子交换柱分离后与茚三酮显色检测，包括分光光度法、液相色谱法、离子交换色谱法、氨基酸自动分析仪检测等。韩粉丽等[42]以6-氨基喹啉基-N-羟基琥珀酰亚氨基甲酸酯为柱前衍生剂，通过反相高效液相色谱法建立了5种谷物中17种氨基酸的检测方法，用于谷物蛋白质量评价。

2.3 高粱中的脂肪

2.3.1 高粱中脂肪的组成及在酿酒过程中的代谢过程

脂肪是甘油和脂肪酸合成的有机物，在高粱中含量较低，约占2%～6%，对白酒品质影响较大[43]。脂肪在各组成分中最易氧化，高粱蒸煮过程中，脂肪氧化降解，形成β-烯醛、二烯醛、烷基呋喃、内酯、短链脂肪酸等重要风味成分直接进入酒体[44]；在酿造过程中，也会产生高级脂肪酸、有机酸，如亚油酸、棕榈酸等赋予酒体独特香味。文志勇等[45]研究表明，少量脂肪能够使酒体香气纯正、味清爽，减少酒体杂味。脂肪含量过高会使发酵过程生酸快、酸度大，对微生物生长代谢产生抑制作用，影响发酵效率，出酒率下降；脂肪生成的低分子酮、醛类物质也会引起酒体酸败；大量的高级脂肪酸酯，如油酸乙酯、棕榈酸乙酯，亚油酸乙酯也会使得酒体更易浑浊。一般而言，酿酒高粱脂肪含量应低于4%[46]。

2.3.2 高粱中脂肪的检测方法

目前，高粱中脂肪检测常用索氏提取法、酸水解法等[47]。索氏提取法可分离样品中的游离脂肪并准确检定量，但是对结合脂肪分离效果不明显；酸水解法可将样品中结合脂肪水解、检测样品总脂肪含量。田殿梅等[48]利用索氏提取法检测了3种不同品质的高粱脂肪含量，并用于原料与基酒品质相关研究。

2.4 高粱中的单宁

2.4.1 高粱中单宁的组成及在酿酒过程中的代谢过程

单宁是高分子多酚类物质，主要存在于种皮，受多对主效基因控制，具有广义遗传力能够稳定遗传[49-50]。高粱单宁为缩合单宁，含量随壳颜色的加深而变高，一般黑壳高粱最高，平均含量为1.14%，红壳高粱次之，为1.02%，白高粱最低，平均为0.80%[51]。高粱单宁一方面经酶促作用生成小分子酚类物质，另一方面经催化反应生成缩酚酸、多元醇进一步脱羧形成挥发性酚类物质，例如，水果香味的愈创木酚、花香味的4-乙烯基愈创木酚、烟熏风味的4-甲基愈创木酚等，这些挥发性酚类在白酒中含量较高，是白酒风味的重要组成部分，决定了白酒风味品质等级[52-55]，适量单宁能够使酒体风味更加丰富、酒体醇香细致[56]。杨玲等[57]研究显示，单宁含量与清香型白酒酒醅细菌多样性相关，微量单宁还能抑制杂菌生长。但是，单宁有蛋白凝固作用，高粱单宁含量过高会钝化淀粉酶，增加糟坯粘度，影响发酵过程，降低出酒率；降低微生物对蛋白代谢，影响酒体风味成分的形成，增加酒体苦涩感；同时也会产生有窖泥臭味的4-甲基苯酚、马厩臭味的4-乙基苯酚等异臭味酚，影响酒体风味品质。一般而言，酿酒高粱中单宁含量为1.4%～1.7%较好[58]。

2.4.2 高粱中单宁的检测方法

单宁结构复杂，定量分析相对困难，目前高粱单宁含量的检测方法包括柠檬酸铁铵法、香草醛法、普鲁士蓝法、酸正丁醇法、液相色谱法、蛋白质沉淀法等。柠檬酸铁铵法是常用方法，其利用单宁与铁离子生产棕色络合物在波长525 nm处吸光度值进行检测，该法以单宁酸作为标准品，与高粱单宁结构存在反应动力学上的差异，目前在高粱中并未检测出单宁酸[59]，因此单宁酸作为标准品检测高粱单宁含量还有待研究；香草醛法利用缩合单宁与香草醛生成红色聚合物在波长500 nm处有吸收峰进行检测，该法影响因素多，且能与黄烷醇反应，结果稳定性较差；蛋白质沉淀法主要用于研究单宁与蛋白质的互作，通过蛋白质沉淀分离单宁，溶解后与显色剂反应进行检测[60]。胡立志等[61]采用单宁-蛋白质沉淀法检测了葡萄籽中单宁含量。王旭娟等[62]对柠檬酸铁铵法、香草醛法等5种分光光度法进行比较，最终确定香草醛法特异性好，准确度高。

2.5 高粱中的无机元素

2.5.1 高粱中的无机元素及在酿酒过程中的代谢过程

白酒酿造过程中，酒中无机成分也逐渐引起了人们的关注，白酒中的无机元素主要来源于原辅料及生产过程中发生的迁移现象，因此原料中的无机元素对白酒品质有着重要影响。目前，对高粱无机元素研究较少，主要集中于金属元素，多作为食品安全评价指标。高粱中的无机元素是多种微生物所必需的的营养成分，是发酵过程中酶系的重要组成成分，并且多种金属元素可以中和酒体杂味，其中钾元素与酒质的关系最为突出，可以使酒体更加老练，增加酒体醇厚感、甜度感；铜离子可以除新酒气，增加酒的老练感及酒体涩味；钠离子对酒体口感有不良影响，使得酒体香气变差，欠爽净；镁离子会造成酒体苦涩感；多种金属元素还作为催化剂，促进风味物质的形成，加快酒体老熟，提升酒体品质[36，63]。

2.5.2 无机元素的检测方法

高粱中的金属元素检测包括前处理和检测两部分，前处理中干法灰化法需要特定设备，灰化时间长，只有检测特殊需求样品时才使用；湿法消解速度快、回收率高，但是试剂用量大，会产生大量毒害气体；萃取法需要选择特定的吸附材料有较高的特异性和精密度；而微波消解法由于检测效率及准确性高成为了最常用的前处理方法。常用的金属元素检测方法有电感耦合等离子体-原子发射光谱法（inductively coupled plasma-atomic emission spec trometry，ICP-AES）、电感耦合等离子体-质谱法（inductively coupled plasma-mass spectrometry，ICP-MS）等[64-65]。胡桂霞等[66]通过微波消解前处理建立了ICP-MS检测大米中40中元素含量的方法，对大米中的常规元素及重金属元素进行准确定量。

3 结语

本文概述了高粱风味物质、淀粉、蛋白质、脂肪、单宁、无机元素成分的组成、结构、含量及其在酿造过程中的代谢；总结了高粱成分与白酒出酒率及风味品质关系。通过研究高粱理化性质、营养组成与酿造性能和白酒品质的关系，解析原料中风味物质成分谱图、化学途径及关键功能微生物和酶；研究原料中大分子物质在酿造过程中物质结构演变规律；确定“粮香”等关键风味物质；以理论结合实际填补工艺参数研究上的空白，为建立科学原料验收标准，选育优质高粱品种，酿造优质白酒奠定基础。