特种麦芽品质形成机理分析及分类系统构建

陈文波，佟恩杰，苏红旭，张春强，杨海莺，李小燕，李 慧，于忠钊*

（ 1.中粮营养健康研究院有限公司 老年营养食品研究北京市工程实验室 营养健康与食品安全北京市重点实验室，北京 102209；2.南京财经大学 食品科学与工程学院/江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心，江苏 南京 210023；3.中粮麦芽（ 大连）有限公司，辽宁 大连 116200）

啤酒是一种以麦芽、酒花和水为主要原料，经酵母发酵制成的低酒精度、营养级的发酵饮料[1-2]。经过数千年的发展，啤酒已成为人类饮食和文化的重要组成部分[3-4]。二战之后，随着全球经济的快速发展，啤酒多样化步入了快速增长期[2]。有资料显示，当今全球至少有15 000家商业啤酒酿造厂在运营，超过150 000种啤酒在市面销售。其中，原料种类及配方是成就啤酒品类如此多样化的最主要因素[5]。

麦芽是啤酒原料中最重要的组成部分之一，被誉为是啤酒的“灵魂”，定义了每一种啤酒的关键属性（色泽、风味、酒体及发酵后形成的酒精浓度等）[6-7]。麦芽中富含淀粉、蛋白、矿物质及多种维生素可为啤酒酿造过程中酵母的生长提供必要的营养物质[8-9]。

根据麦芽在啤酒酿造中发挥的作用，可将其粗略地划分为基础麦芽和特种麦芽[10-12]。基础麦芽为啤酒生产提供所必需的可发酵性糖、游离氨基酸和最基本的麦芽风味[13]；特种麦芽是指在啤酒酿造过程中为了突出啤酒色度、风味、酒体厚度、泡沫持久性等特点而使用的谷物制品，如燕麦片、小麦麦芽、燕麦麦芽、荞麦麦芽、大麦片等[10，12，14-20]。除了基于小麦、燕麦、荞麦等杂粮制成的特种麦芽外，特种麦芽家族还包括大量以大麦为原料，通过控制发芽程度、改变干燥条件、创新生产设备等制备的色泽丰富、风味多样、功能特殊的特种麦芽产品[1，15，17]。由于原料选择、发芽程度、干燥温度、干燥时间及干燥时的水分含量等任何一个工艺参数都是决定麦芽品质的重要因素，因此，理论上讲，特种麦芽品类可能极其丰富[1]。Brewer's friend网站[21]统计数据显示，基于大麦原料的特种麦芽（以下简称特种麦芽）占比超过了当前所有特种麦芽种类的90%，是丰富啤酒品类的主要因素[1，22-24]。

特种麦芽品种虽然很丰富，却缺少统一的命名规则[25]。这导致来自不同生产厂家、性质相近的特种麦芽可能会用字面意思差别较大名字命名，如糊精麦芽（dextrin malts）也被称为焦香皮尔森麦芽（carapils malts），焦糖麦芽（caramel malts）也被称为结晶麦芽（crystal malts）[17-18]。另外，现有的特种麦芽名称多以麦芽色度深浅确定，如结晶麦芽I、结晶麦芽II、结晶麦芽III、结晶麦芽IV等，不能很好地反映特种麦芽的品质特点，给广大用户选择麦芽时带来了诸多困惑，不利于特种麦芽行业的健康发展[11]。因此，本文对特种麦芽品质进行分析，明确其品质形成机理，建立可反映特种麦芽品质的分类系统，对助力我国特种麦芽和精酿啤酒行业健康发展具有重要意义。

1 特种麦芽的定义及其在啤酒酿造中的作用

1.1 特种麦芽定义

特种麦芽是与基础麦芽相对的概念，当前并没有明确的定义[10]。特种麦芽与基础麦芽对啤酒酿造的作用明显不同，制麦过程也差别较大，如焦香类麦芽在制备过程中额外增加“炖煮”环节、慕尼黑麦芽会提高发芽温度、类黑素麦芽则延长发芽时间[1，14，26]。因此，通过研究特种麦芽的制备工艺特点和品质形成机理并结合它们赋予啤酒的品质[6，10，16-18，23，27-31]，可将特种麦芽定义为一类采用特殊制麦工艺、特殊设备、特殊原料等制成的具有较高色度、特殊风味或特殊用途等特点，可满足啤酒在色、香、味、口感、泡沫性等方面特殊要求的谷物或发芽谷物[1，11，17，25，29，32-37]。

1.2 特种麦芽在啤酒酿造中的作用

1.2.1 提升啤酒色度

色度是啤酒的一项重要理化指标。根据色度不同，啤酒可分为淡色啤酒（2～14 EBC）、深色啤酒（15～40 EBC）和黑啤酒（≥41 EBC）三个类别[38-39]。啤酒色度主要受原辅料、工艺等因素的影响[40]。在生产深色啤酒和黑啤酒时，常使用慕尼黑麦芽、维也纳麦芽、巧克力麦芽、咖啡麦芽、黑麦芽、烘烤大麦等提升啤酒的色度[17，41-42]。如在酿造世涛啤酒时，通常使用3%～5%的黑麦芽或巧克力麦芽用来提升啤酒的色度[6，17]。在爱尔兰世涛（74.7 EBC）中，会使用近10%的烘烤大麦来提升啤酒的色度。

1.2.2 增加啤酒风味

啤酒风味是影响消费者接受度的重要属性[43-44]。除了酒花，酿造中使用的各种谷物原料是啤酒特定风味的主要来源[27，43，45-46]，不同特种麦芽的风味特点如表1所示。值得注意的是，特种麦芽的风味物质一般不会直接进入到啤酒中，但特种麦芽风味的前提物质可进入麦汁并在酿造过程中转化为特定的啤酒风味[27，46]。如焦香麦芽中通常含有的2,3-戊二酮（黄油味）、2-环戊烯-1,4-二酮、异麦芽酚（焦糊味）、2-呋喃甲醇（烤面包味）、5-甲基-2-呋喃-甲醇（麦芽味）、2-羟基-2-环戊烯-1-酮（焦糖味），以及2,3-二氢-3,5-二羟基-6-甲基-4H-吡喃-4-酮（饼干味）并不是以焦香麦芽为主要原料酿造的啤酒的特征风味物质，而是替代2-乙酰基吡咯啉（烘烤味）、2,3-二甲基-5-乙基吡嗪（烧焦味）、甲基麦芽酚（焦糖味）、3-甲硫基丙醇（黄油味）等[14，27]，因此，啤酒整体的风味特点与所用特种麦芽的风味特点保质一致。由表1可知，在啤酒酿造中可使用不同的特种麦芽以获得特定风味的目的，如使用结晶麦芽获得焦香味、太妃糖味、麦芽香味等[13，43，45，47]；使用黑麦芽获得焦苦味、焙烤味和酸涩味等[15]。

表1 特种麦芽的 典 型风味[13，31，43，47，48]Table 1 Typical flavor derived from specialty malts

1.2.3 改善啤酒口感

啤酒口感是指啤酒与口腔、牙齿、牙龈等接触的感觉[49]。啤酒的口感与啤酒中CO2浓度、蛋白质、酚类、糊精、β-葡聚糖含量及黏度、泡沫持久性等密切相关[50-52]。为改善啤酒的口感，可考虑使用不同的特种麦芽，如使用结晶麦芽、糊精麦芽来提高啤酒中糊精的含量，使酒体更加丰富[53]；使用萌麦芽来提升啤酒中泡沫蛋白的含量，使啤酒的泡沫更加丰富和持久[17-18]；燕麦麦芽提高麦汁中β-葡聚糖含量，使啤酒具有天鹅绒般的丝滑感觉[17]。

1.2.4 优化糖化条件

在麦汁制备过程中，适宜酸碱度不仅有助于β-葡聚糖酶、淀粉酶、蛋白酶等水解酶活力的发挥，提高原料的利用率，而且也会明显影响酿造过程中酵母的性能及终端啤酒的风味[54]。因此，需要根据本地水的酸碱度和终端产品的风格特点调节糖化条件。在严格执行《啤酒纯净法》的国家和地区，调节糖化液酸碱度的方法是使用酸麦芽[18，37，55]。一般情况下，在啤酒酿造原料配方中加入3%～10%的酸麦芽就能产生非常理想的调节糖化醪液酸碱度的效果[18，23，37]。

2 特种麦芽品质形成机理

特种麦芽虽然品类繁多，但其制备方式只是对传统制麦工艺的调整或延伸，如提高焙焦温度、延长焙焦时间、加入“炖煮”环节等[1]。通过研究特种麦芽的制备工艺特点，可将特种麦芽在应用端的品质“特色”归纳为色度、风味及功能等方面。由于特种麦芽的品质形成极其复杂，涉及原料组成、水分含量、温度高低、时间长短等多方面因素，目前还很难将特种麦芽的每个品质形成机理解释清楚[11，24，29，56]。根据VANDECAN S M G等[29，33]的研究结果可知，特种麦芽品质形成主要涉及美拉德反应（Mailllard reaction）、焦糖化反应（caramelization reaction）和裂解反应（pyrolysis reaction）三个主要的生物化学反应。

2.1 美拉德反应

美拉德反应是广泛存在于食品工业中的非酶促褐变反应，其本质是食物或原料中的还原糖（碳水化合物）与氨基酸/蛋白质在常温或加热时发生的一系列复杂化学反应，主要生成棕黑色的大分子物质——类黑素（melanoidins）[57-59]。此外，美拉德反应过程中还会产生成百上千种具有不同气味的中间体分子，包括还原酮、醛和杂环化合物（图1），为食品提供了宜人可口的风味和诱人的色泽[59]。美拉德反应过程主要包含颜色的变黄、变深、变黑，香气的产生以及味道上的转变，在几乎所有的麦芽生产中均涉及到美拉德反应[58-60]。

图1 美拉德反应示意图[59，63-64]Fig.1 Schematic diagram of Maillard reaction

在实际生产中，美拉德反应通常在140～170 ℃时发生，生成数百种不同类型的风味化合物[1]。进一步加热，这些化合物又会分解成为更多新的风味化合物。现代食品化学的研究结果表明[61-62]，每种类型的食物都具有在美拉德反应期间形成的非常独特的风味化合物。因此，风味科学家也一直在借助美拉德反应来制备人造风味，如制麦专家通过使用不同的焙焦温度、水分含量和时间等因素赋予特种麦芽面包味、坚果味、焦糖味等风味[1]。

2.2 焦糖化反应

焦糖化反应是糖类，尤其是单糖，在高温情况下发生的脱水或降解并褐变的过程[64-65]。以蔗糖为底物时，焦糖化反应的示意图如图2所示。焦糖化反应发生的温度高于120 ℃，酸性（pH＜3）或碱性（pH＞9）环境会加速它的发生[64，66]。如在酸性环境中，戊糖脱水形成糠醛，己糖则形成5-羟甲基糠醛。麦芽酚、异麦芽酚及乙酰基呋喃也会产生[17，64，66]。在碱性环境中，糖分子会发生烯醇化甚至碎片化，进而形成其他风味物质[17]。虽然焦糖化反应在酸、碱条件下均可进行，但速度不同，如pH 8时反应速率为pH 5.9时的10倍左右。焦糖化反应的产生除了上述风味物质外，还包括大量深色的大分子化合物，如焦糖酐（caramelan）、焦糖烯（caramelin）和焦糖素（caramelen）等[65，67-68]。焦糖化反应的产物因底物和加热温度不同而有较大差别，因此，焦糖化反应贡献主要品质的结晶麦芽和焦香麦芽会表现不同的色度和风味。

图2 焦糖化反应示意图[65，69]Fig.2 Schematic diagram of caramelization reaction

2.3 裂解反应

裂解反应是糖分子在极高温度（高于200 ℃）下发生的焦化或碳化[9，66，70]。当加热的温度足够高时，糖分子的碳碳键会发生断裂，产生具有强烈刺激性的燃烧味。由于裂解反应主要发生在温度极高的情况下，因此只有那些需要烘烤的特种麦芽，如黑麦芽、烘烤大麦等才有裂解反应发生。

3 基于品质形成机理的特种麦芽分类

在啤酒原料的谷物单中添加特种麦芽的目的通常是多方面的，如提升啤酒色度、丰富啤酒风味及增加酒体厚度等[58]。因此，酿酒师选择特种麦芽时通常会从色度、风味及功能等方面考虑[71-72]。为方便酿酒师的选择，麦芽生产厂家通常会按一定的标准对自家麦芽进行分类，如色度高低、原料种类、加工方式[1，7，16，71-72]。但是不同类型的麦芽可能具有相同的色度，如结晶麦芽与非结晶麦芽；相同色度的麦芽可能是使用不原料与工艺生产的，如小麦萌麦芽与艾尔麦芽。建立一种相对科学的特种麦芽分类方法很有必要。

特种麦芽虽然种类繁多，但色度、风味及功能等品质的形成与淀粉水解反应、美拉德反应、焦糖化反应和裂解反应等主要生物化学反应密切相关。基于特种麦芽品质形成所涉及的主要化学反应，结合产品的色度指标、啤酒酿造中的作用，可方便地将特种麦芽划分为5个类别，即干燥类、焦香类、焙焦类、烘烤类和其他类。各类别特种麦芽的特点及细分情况简介见表2。

表2 特种麦 芽 的 分类及相关 依 据[15，17，37，47，73-77]Table 2 Classification of specialty malts and related framework

4 特种麦芽发展前景

消费者的需求是一个行业创新的原在动力[78]。随着我国经济的快速发展、居民消费水平的提升和Z世代成为消费主体，高端化、多样化、差异化啤酒的需求量呈现快速增长的趋势。为顺应和助力啤酒行业的这种发展趋势，特种麦芽等高端麦芽生产者必须加强麦芽（包括特种麦芽）品质形成机理研究，推进制麦的理论创新和麦芽产品的品类创新，为中国啤酒行业的发展提供更高品质和高多种类的麦芽产品。

2012年被定义为中国精酿啤酒的元年。在这之前中国没有真正意义上的精酿啤酒，更没有自己的特种麦芽和高端麦芽。经过10余年的发展，中国麦芽生产企业和科研工作经验丰富不懈努力已经加深了对高端麦芽和特种麦芽的认识与理解，也研发并推出中国自己的特种麦芽产品[79-80]。然而，国外特麦生产企业对特种麦芽生产的关键核心技术高度保密，使得我国优质特种麦芽生产的研究上受到阻碍。另外，国内生产企业在特种麦芽专用生产设备设计、研发和制造上还存在一定的不足，这使得我国特种麦芽水平与国外同行间的距离在短时间内很难消除。但随着新冠疫情的稳定和世界经济回暖，在广大科研人员和制麦工作者的共同努力之下，我国特种麦芽必将在中国制麦企业和广大科研工作者的共同努力下迎来新的发展，实现产品特种麦芽品类、质量双提升。