美国酿酒高粱的研究

江南大学酿造微生物学与应用酶学研究室2024.05 目录 第 1 章 实验室规模筛选优良白酒酿造用美国高粱品种����������1 1�1 项目背景与研究背景����������������������������������1 1.1.1 2017 年白酒行业11.1.2 原料及其发酵食品概述21.1.2.1 原料与发酵食品品质的关系21.1.2.2 原料的理化成分对发酵食品品质的影响2 1�2 项目研究目标����������������������������������������2 1�3 结果与分析������������������������������������������2 1.3.1 不同高粱相关信息31.3.2 不同品种高粱物理化学特性31.3.2.1 酿酒用高粱理化性质标准31.3.2.2 不同品种高粱外观特征41.3.2.3 不同品种高粱基本成分含量51.3.2.4 9 种高粱基本成分的主成分（PCA）分析71.3.3 白酒安全相关特征81.3.4 高粱蒸煮后的挥发性化合物81.3.5 高粱对酿酒的影响91.3.5.1 高粱对酿酒功能微生物生长的影响91.3.5.2 发酵过程中乙醇，乙酸，乳酸含量变化101.3.5.3 发酵过程挥发性化合物的变化121.3.5.4 酒醅理化指标和挥发性化合物主成分分析121.3.5.5 主要差异挥发性化合物的确定131.3.6 高粱品种与白酒香型匹配的分析141.3.6.1 基本成分显著性分析151.3.6.2 发酵过程酒醅理化指标显著性分析151.3.6.3 发酵终点酒醅挥发性化合物显著性分析181.3.6.4 相关指标差异性汇总分析19 1�4 小结����������������������������������������������20 第 2 章 大生产规模评估美国高粱对白酒酿造的影响�����������21 2�1 研究背景�������������������������������������������212�2 研究目标�������������������������������������������22 2�3 结果与分析�����������������������������������������22 2.3.1 高粱品种及白酒香型222.3.1.1 美国高粱品种222.3.1.2 白酒香型及对应原料222.3.2 安徽金种子酒业股份有限公司的应用242.3.2.1 清香型白酒生产242.3.2.1.1 对白酒发酵的影响242.3.2.1.2 对白酒酒质的影响252.3.2.2 浓香型白酒生产262.3.2.2.1 对白酒发酵的影响262.3.2.2.2 对白酒酒质的影响272.3.2.3 馥合香型白酒生产282.3.2.3.1 对白酒发酵的影响292.3.3 江苏乾隆江南酒业股份有限公司的应用302.3.3.1 对白酒发酵的影响302.3.3.2 对白酒酒质的影响322.3.4 江苏汤沟两相和酒业有限公司的应用332.3.4.1 对白酒发酵的影响342.3.4.2 对白酒酒质的影响36 2�4 小结����������������������������������������������38 第 3 章 结果与讨论������������������������������������39 第 1 章 实验室规模筛选优良白酒酿造用美国高粱品种 1�1 项目背景与研究背景 为考察美国高粱在中国白酒酿造中的适用性，美国谷物协会与江南大学开展《美国谷物协会对美国酿酒高粱属性的研究》项目的合作研究，该项目于 2017 年 12 月 20 日正式生效，原定合作时间为 2017 年 12 月 20日至 2019 年 12 月 20 日。2018 年 12 月 20 日，提交关于白酒制作的 6 种不同高粱品种的实验室规模评价报告；2019 年 12 月 20 日提供关于白酒制作的 2-3 种不同高粱品种的扩大评估报告。 在项目实施过程中，第一阶段实验室规模研究工作由于受到国际环境因素的影响，项目实际研究时间发生延后，实验室规模研究用的 6 种美国高粱实际到达实验室时间为 2019 年 1 月 8 日，介于此，双方于 2019 年 1月 9 日签订《关于“美国谷物协会对美国酿酒高粱属性的研究”（2017 年 12 月 20 日）协议的补充说明》，协议中将第一阶段项目报告延期为 2019 年 12 月 30 日。 在项目实施过程中，第二阶段生产应用规模研究工作再次受到国际环境因素的影响，项目实际研究时间再次发生延后，生产应用的 3 种美国高粱实际到达企业的时间为 2023 年 2 月 ~3 月，根据高粱实际到达时间再进一步开展工作。 1�1�1 2017 年白酒行业 中国白酒，是以粮谷为主要原料，以大曲、小曲、麸曲、酶制剂及酵母等为糖化发酵剂，经蒸煮、糖化、发酵、蒸馏、陈酿、勾调而成的蒸馏酒。 中国酒业协会公布的 2017 年全国酿酒行业数据显示，2017 年全国酒类行业生产经营数据。数据显示，2017 年，全国规模以上白酒企业完成酿酒总产量 1198.06 万千升，同比增长 6.86%；销售收入 5654.42 亿元，同比增长 14.42%；实现利润总额 1028.48 亿元，同比增长 35.79%。其具体情况如图 1-1 所示。 美国谷物协会北京办事处 1�1�2 原料及其发酵食品概述 1.1.2.1 原料与发酵食品品质的关系 各式各样的原料可形成多种营养丰富和风味独特的发酵食品。传统发酵食品多为自发式发酵，所获得产品的品质取决于两个因素：一是发酵基质，二是微生物菌群。其中，原料中的营养物质（碳水化合物、脂肪酸和氨基酸等）、挥发性化合物及其前体物质等可直接或间接（酶促反应）的提供营养物质及挥发性化合物；微生物菌群负责启动食品发酵过程，将原料中的碳源和氮源等营养物质转化为新的代谢产物，从而丰富发酵产品中的营养及风味，因此，使用高质量的原料有利于提高发酵食品的品质。 1.1.2.2 原料的理化成分对发酵食品品质的影响 原料含有丰富的营养物质供微生物生长与代谢。发酵食品的风味与其原料的理化成分密切相关，主要包括碳水化合物、蛋白质、脂肪、单宁等。 淀粉作为大部分酿造原料中的主要碳源物质，对发酵食品的品质有着重要影响。不同原料中淀粉的差异不仅体现在含量上，也体现在其结构上，如高粱的粳 / 糯之分与其淀粉结构有关。糯高粱中支链淀粉含量较高，而支链淀粉更容易糊化，易被微生物利用，有研究表明糯高粱的出酒率及优质品率高于粳高粱。谷物中的多糖（淀粉、纤维素、半纤维素等）在发酵过程中被各种碳水化合物水解酶水解，生成可发酵糖（葡萄糖、麦芽糖、木糖、阿拉伯糖等），不同的微生物对可发酵糖的偏好性存在差异，不同的碳源组成可决定不同的微生物菌群组成，进而导致发酵产品风味的差异。 蛋白质作为原料中的主要氮源，其含量受到品种及产地的影响。研究表明原料中适当的蛋白质能够促进代谢产物的生成，丰富发酵食品的风味，而过高的蛋白质含量则会导致高级醇含量的增加，降低产品品质。此外，原料蛋白组成的差异还会直接影响芳香族化合物的合成，造成发酵产品风味的差异。 单宁属于酚类物质，广泛存在于发酵原料中。目前已有很多关于原料中单宁的研究。在白酒发酵过程中添加单宁后，高级醇（异丁醇，2- 甲基 -1- 丁醇，3- 甲基 -1- 丁醇）的含量有了显著的提高。但是，单宁过高会对发酵过程中酵母的生长代谢产生抑制作用，进而影响挥发性化合物的产生，降低发酵食品品质。 1�2 项目研究目标 调查美国 6 种不同的高粱品种对白酒及其生产过程（中国白酒）的影响，包括品质、发酵效率和产品安全。 第一阶段目标：6 种不同高粱品种的实验室规模评估 第二阶段目标：对 3 种酿造白酒的高粱品种进行生产规模的评估 1�3 结果与分析 1�3�1 不同高粱相关信息 1�3�2 不同品种高粱物理化学特性 1.3.2.1 酿酒用高粱理化性质标准 1.3.2.2 不同品种高粱外观特征 9 种高粱中的水分含量在 9%-14% 之间，其中 A5 的水分含量最低，为 9.89%，A1 的水分含量最高，为13.41%。对于高粱粒径大小来说，A3 最大，C8 最小。美国 6 种高粱中 A1，A2，A5，A6 均有轻微的不完善粒。 A2 和 A5 的杂质较多，A6 种有较多灰尘且存有异味。 1.3.2.3 不同品种高粱基本成分含量 （1）9 种高粱中的粗蛋白含量 粗蛋白在不同品种高粱间的含量为 80-110 mg/g，其中 A1,A2,A3,A6 的粗蛋白含量在所设三组对照（C7，C8，C9）之间（80~100 mg/g）。A5 含量最高，达到了 132.24 mg/g。 （2）9 种高粱中的粗脂肪含量 粗脂肪在不同品种高粱间的含量为 35-65 mg/g，其中 A1-A6 高粱的粗脂肪含量均在所设三组对照（C7，C8，C9）之间（35~65 mg/g），其中 A5 含量最高，达到了 53.18 mg/g。 （3）9 种高粱中的单宁含量 单宁在不同品种高粱间的含量为 4.8-23.5 mg/g，其中 A1~A6 高粱的单宁含量要显著低于对照组中的 C8和 C9 高粱，普遍在 5 mg/g 上下。 （4）9 种高粱中的淀粉含量 淀粉分为直链淀粉和支链淀粉，由图 1-6 可知不同品种高粱在淀粉含量和结构组成方面均有明显的差异，6 种高粱总淀粉含量在 750-850 mg/g 之间；总淀粉含量最高的为 A6，最低的为 A3。在淀粉结构组成上，粳高粱中直链淀粉含量在总淀粉含量中所占比例远小于相对支链淀粉，并且总淀粉含量较高的粳高粱品种，其对应的支链淀粉含量也相对更高。其中作为对照的三种高粱 C7 和 C9 为直链淀粉占比高的粳高粱，C8 为支链淀粉占比高的糯高粱，在美国 6 种高粱中，A3 为糯高粱，其余 5 种均为粳高粱。 淀粉是发酵过程中生产乙醇最主要的底物。在白酒酿造过程中，由于高粱原料蒸煮后摊凉时，直链淀粉相对支链淀粉更容易老化，老化后的淀粉不易被淀粉酶酶解，而没有直链淀粉包裹的淀粉颗粒的外围结构更为松散，从而更容易被酶解，因此固态发酵过程中淀粉的结构组成决定了其相应的酶解速率，从而直接影响淀粉到乙醇的转化速率。所以，总淀粉含量越高，支链淀粉所占比例越大的高粱品种在白酒酿造过程中越有利于提高出酒率。根据测定结果，在所有高粱品种中，尽管 A3 淀粉含量较低，但其属于支链淀粉占比高的糯高粱，因此从淀粉角度分析，A1~A6 高粱均具有酿酒的潜能。 （5）9 种高粱的淀粉糊化特性 淀粉作为高粱籽粒中的重要组成成分，其含量和结构组成决定了高粱的蒸煮品质，进而影响白酒发酵，而淀粉的糊化属性是高粱蒸煮品质的直接体现。因此，本研究采用快速粘度分析仪（RVA）对 9 种高粱淀粉的糊化属性进行了测定，测定结果见表 1-4。如表 1-4 所示，9 种高粱淀粉的峰值粘度变化范围为 2590.00-4414.00cP，其中峰值粘度在 4000.00cp 以上的为 A3，A4 和 C8，而 A1 的峰值粘度最低为 2590.00cP。对于糊化温度，A6 的糊化温度最高，为 79.85° C，A2，A4，C8 最低为 77.40° C。高粱中直链淀粉含量越低，淀粉崩解值越大，高粱淀粉更容易破裂；支链淀粉含量更高的糯高粱淀粉在蒸煮过程中更容易破裂，从而有利于节省能源以及更容易被微生物分解代谢转化为乙醇。 1.3.2.4 9 种高粱基本成分的主成分（PCA）分析 将前面所检测的粗蛋白，粗脂肪，单宁，淀粉等的理化指标进行主成分分析（PCA），发现美国高粱除了A3 和 A5 两种外，其余和 C9 出现了明显的聚集情况，说明这几种高粱酿酒相关的指标相近（图 1-7），推测出它们的酿酒性能较为相似。 1�3�3 白酒安全相关特征 氨基甲酸乙酯作为白酒