发酵罐发酵荞麦酒工艺研究

姜 莹，周文美*

(贵州大学酿酒与食品工程学院贵州省发酵工程与制药工程重点实验室，贵州贵阳，550025)

发酵罐发酵荞麦酒工艺研究

姜 莹，周文美*

(贵州大学酿酒与食品工程学院贵州省发酵工程与制药工程重点实验室，贵州贵阳，550025)

该研究以甜荞与苦荞为原料，应用5 L液态发酵罐进行发酵制作荞麦酒。通过单因素和正交试验对荞麦酒的酿造工艺条件进行优化，从而确定发酵罐发酵荞麦酒的最佳工艺参数。结果表明：最佳发酵工艺条件为酵母菌添加量0.6%、发酵时间7 d、料水比1∶4（g∶mL）。在此条件下得到酒精度为10.1%vol，总黄酮含量为103.30 μg/mL的荞麦酒。

发酵罐；荞麦酒；发酵工艺

荞麦荞麦属于蓼科（Polygonaceae）荞麦属（Fagopyrum），为双子叶植物[1]。目前在国内有两个主要栽培种[2]，一个是普通荞麦（Fagopyrum esculentumMoench）又称甜荞麦[3-4]，另一个是勒靼荞麦（Fagopyrum tataricumL.Gaertn）又称苦荞麦[5]。我国荞麦的利用主要有两种，一种是传统的以荞麦粉为主要原料，直接加工成各种食品[6-8]，如面条、煎饼、蒸饺、扒糕、发糕、凉粉、灌肠等食品。另一种是致力于荞麦保健食品、活性成分等的提取和利用，对荞麦进行深加工如以荞麦为主要原料制作的疗效粉、酱油、食用醋、酒类产品及化妆品等。甜荞和苦荞在形态学特征上有较为明显的区别[9]。甜荞的籽粒较大，三棱形棱角分明，表面与边缘平滑光亮；苦荞籽粒较小，三棱形不分明，表面粗糙、没有光泽，棱成波纹状，中央有凹陷。但是不论是甜荞还是苦荞，籽粒还是茎、叶、花都具有较高的营养价值。蛋白质、脂肪、功能活性物质含量普遍高于大米、小麦和玉米。大量研究表明[10-14]荞麦提取物中生物类黄酮、苦荞蛋白、糖醇等具有很强的生物活性，具有降低血糖、血脂，血压、抗疲劳、抗衰老、抗炎镇痛、抑制肿瘤细胞等作用。

目前，荞麦酒的酿制方法[15-17]主要是传统酿酒工艺主要是固态，半固态发酵工艺及液化法，前两种方法工艺生产周期长，人工劳动强度大，原料利用率低，不适应现代化生产的要求。液化法生产荞麦酒，加入了酶制剂，使原料利用率提高、工艺简单、机械化程度高。然而，实验室中得到的数据和规律，当进行工业生产放大时并不能再现。因此，发酵罐生产是从实验室到工业生产必不可少的中间环节[18]。通过利用发酵罐来生产荞麦酒，以期进一步提高产品口感、质量等指标，为荞麦酒的工业化生产提供理论和技术基础。

本研究以甜荞麦和苦荞麦作为原料，利用5 L发酵罐对甜荞粉与苦荞粉进行液态发酵，确定荞麦酒发酵的最佳条件，同时，通过调节发酵罐发酵条件，将荞麦中醇溶性和水溶性的营养因子更多的保留在酒中[19]，使得荞麦中的营养因子得到充分利用[20]，赋予其更高的营养价值。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

苦荞与甜荞：市售；高峰-α-淀粉酶（2 000 U/g）：源叶生物有限公司；糖化酶（50 000 U/g）：湖南省津市新型发酵有限责任公司；黄酒专用酵母：安琪酵母股份有限公司；芦丁标准品（分析纯）：贵州迪达生物有限责任公司；乙酸钾（分析纯）天津市科密欧化学试剂有限公司；氯化铝：天津市光复精细化工研究所；甲醇、无水乙醇、石油醚（沸点范围60～90℃）：天津市富宇精细化工有限公司；盐酸：重庆川东区化工（集团）有限公司；氢氧化钠、硫酸铜、酒石酸钾钠、葡萄糖：成都金山化学试剂有限公司；亚甲基蓝：生物染色剂，天津市东丽区华明镇北干堡工业区；一水合柠檬酸：江苏强盛功能化学股份有限公司。

1.2 仪器与设备

LK-1000A中药粉碎机：四川江阳粉碎设备有限公司；HH-6数显恒温水浴锅：常州澳华仪器有限公司；722s可见分光光度计：上海菁华科技仪器有限公司；80-2离心机：上海浦东物理光学仪器厂；YXQ-LS-75SⅡ立式自动电热压力蒸汽灭菌锅：上海申安医疗器械厂；手持酒精计：河北省河间市玻璃厂；Biostat B 5 L全自动发酵罐：德国贝朗国际生物工程公司；UTP-313电子天平：上海花潮电器有限公司；FA2004N分析天平：上海箐海仪器有限公司；101-1A电热鼓风干燥箱：北京科伟永兴仪器有限公司；PHS-3C精密pH计：上海日岛科学仪器有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 荞麦酒制作工艺流程及操作要点

操作要点：

粉碎：甜荞和苦荞种子至于60℃鼓风干燥箱中干燥24 h，然后粉碎，过40目筛。

原料比例调配：甜荞苦荞按照一定的比例进行混合；

液化方法：将调配好比例的荞麦粉中加入一定比例的无菌水，先进行糊化10 min，然后加入0.5%的淀粉酶，90℃水浴40 min；

调节pH：利用pH计将溶液pH调节为4；

糖化：将液化好溶液降温至60℃，调节pH值为4.0，添加5%的糖化酶、在60℃水浴中保温50 min；

酵母活化：取一定量的黄酒专用酵母，加入10倍于黄酒专用酵母量的5%葡萄糖溶液中，35℃水浴中活化15min；

发酵：将灭菌后的样液加入121℃灭菌后的发酵罐内，并加入活化后的酵母菌，调节发酵罐转速在100 r/min，在30℃条件下进行发酵。

酒液分离：将发酵后的酒液放入离心管中，4000r/min离心30 min。

灌装：将澄清部分的酒液进行灌装。

巴氏杀菌：在65～70℃条件下保温12～15 min。

冷却：将灭菌后的产品放置室温下进行降温，温度达到室温后即成品。

1.3.2 原料配比的确定

设7个试验组，甜荞与苦荞质量比按表1所示，料液比为1:4（g:mL），酵母添加量为原料的0.5%。每组设三个平行试验。按照1.3.1操作，在30℃下恒温发酵时间7 d。分析酒液中的酒精度和黄酮含量，综合决定甜荞与苦荞的比列。

1.3.3 单因素试验设计

表1 原料比例设计Table 1 Design of raw material proportion

（1）酵母添加量

按照原料配比1:2称取甜荞与苦荞共500 g，料水比1∶4（g∶mL），按照1.3.1的方法对样品进行液化、糖化后，在30℃条件下发酵考察酵母添加量（0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%）、发酵8 d，测定酒精度及总黄酮含量。

（2）发酵时间

按照原料配比1:2称取甜荞与苦荞共500 g，料水比1∶4（g∶mL），酵母添加量0.8%，按照1.3.1的方法对样品进行液化、糖化后，在30℃条件下发酵考察发酵时间（6 d、7 d、8 d、9 d、10 d），测定酒精度及总黄酮含量。

（3）料水比

按照原料配比1:2称取甜荞与苦荞共500 g，酵母添加量0.8%，按照1.3.1的方法对样品进行液化、糖化后，在30℃条件下发酵考察料水比（1:3、1:4、1:5、1:6、1:7（g:mL）），发酵8 d，测定酒精度及总黄酮含量。

1.3.4 正交优化试验设计

在单因素试验的基础上，以荞麦酒的酒精度、总黄酮含量为评价指标，采用正交试验对酵母添加量（A）、发酵时间（B）、料液比（C）进行优化，最终确定荞麦酒的最佳发酵条件。正交试验设计因素与水平见表2。

1.3.6 分析测定方法

表2 荞麦酒发酵工艺优化正交试验因素与水平Table 2 Factors and levels of orthogonal experiments for buckwheat liquor fermentation technology optimization

酒精度的测定采用GB/T 13662—2008《黄酒》中酒精计法；pH值采用pH计直接测定；淀粉含量的测定用GB/T5009.9—2008《食品中淀粉的测定》；水分含量的测定采用GB5009.3—2010《食品中水分的测定》；芦丁标准曲线的绘制以及黄酮含量的测定采用NY/T 1295—2007《荞麦及其制品中总黄酮含量的测定》。

2 结果与分析

2.1 甜荞与苦荞淀粉及水分含量测定

原料中淀粉及水分测定结果见表3。从表3中可以看出甜荞与苦荞含水量差别不大，但粗淀粉含量差别比较大，甜荞明显高于苦荞，而淀粉的含量的多少决定了发酵液中的糖分含量，直接影响着发酵结果，但由于甜荞中的总黄酮低于苦荞，因此，需要甜荞与苦荞搭配进行发酵。

表3 原料中淀粉及水分测定结果Table 3 The determination results of starch and moisture

2.2 原料配比的确定

图1 原料比例对荞麦酒酒精度(A)和总黄酮含量(B)的影响Fig.1 Effect of raw material proportion on alcohol contents(A)and total flavonoids contents(B)in buckwheat liquor

不同原料配比对荞麦酒酒精度和总黄酮含量的影响见图1。由图1A可知，酒精度随着甜荞所占比例的下降而略有下降，由图1B可知，总黄酮含量呈现先上升后略有下降的趋势，甜荞与苦荞质量比为1∶2时总黄酮含量达到最高。试验结果表明，甜荞的可发酵性高于苦荞；由于苦荞的黄酮含量明显高于甜荞，因此黄酮含量随着原料中苦荞的比例增加而增加；黄酮为醇溶性化合物，酒精度的降低会导致原料的溶出的黄酮量降低。但由于酒精度较低，因此，黄酮含量呈现先上升后稍有下降的趋势。综合结果，选择黄酮含量最高、酒精度相对较高的的6号试验组即甜荞与苦荞质量比为1:2进行试验。

2.3 芦丁标准曲线的建立

以芦丁质量浓度（mg/mL）为横坐标，吸光度值为纵坐标，绘制芦丁标准曲线见图2。

图2 芦丁标准曲线Fig.2 Standard curve of rutin

由图2得到芦丁标准曲线回归方程为：y=27.301x+ 0.000 2，相关系数R2=0.999 9。由此可见吸光度值与芦丁标准品质量浓度之间呈现良好的线性关系。

2.4 单因素试验结果分析

2.4.1 酵母添加量对酒精度、总黄酮含量的影响

考察不同酵母添加量对荞麦酒的酒精度和总黄酮含量的影响，其结果见图3。

图3 酵母添加量对荞麦酒的酒精度(A)和总黄酮含量(B)的影响Fig.3 Effect of yeast inoculum on alcohol contents(A)and total flavonoids contents(B)in buckwheat liquor

由图3可知，随着酵母添加量的增加，发酵液的酒精度呈现先增大后减小的趋势，酵母含量较低时，发酵液发酵不完全，还原糖没有得到充分利用，导致酒精度偏低，但当酵母含量过高时，酵母本身繁殖消耗大量还原糖导致酒精度下降。随着酵母添加量的增加，发酵液中的黄酮含量也呈现先增大后减小的趋势，并且在酵母添加量为0.6%时呈现峰值。综合考虑选择酵母添加量为0.5%～0.7%进行后续试验。

2.3.2 发酵时间对酒精度、总黄酮含量的影响

考察不同发酵时间对荞麦酒的酒精度和总黄酮含量的影响，结果见图4。

图4 发酵时间对荞麦酒酒精度(A)和总黄酮含量(B)的影响Fig.4 Effect of fermentation time on alcohol contents(A)and total flavonoids contents(B)in buckwheat liquor

由图4可知，随着发酵时间的增加，发酵液中酒精度逐渐升高，当发酵到第7天时发酵液中的酒精度趋于平缓，第8天发酵液中的酒精度达到最大值9.0%vol。继续发酵时，酒精度有下降趋势。这时的酵母处于衰退期，此时不再利用料液中的糖分甚至分解一部分的酒精，使溶液中的酒精度降低，随着发酵时间的延长，发酵液中黄酮含量迅速增加，后又开始下降。这是因为黄酮属于醇溶性物质，酒精度的降低对总黄酮含量具有一定的影响。综合考虑，选取发酵时间为7～9 d进行后续试验。

2.3.3 料水比对酒精度、总黄酮含量的影响

考察不同料水比对荞麦酒的酒精度和总黄酮含量的影响，结果见图5。

图5 料水比对荞麦酒酒精度(A)和总黄酮含量(B)的影响Fig.5 Effect of material to water ratio on alcohol contents(A)and total flavonoids contents(B)in buckwheat liquor

由图5可知，随着料液比的增加，发酵液中酒精度先有小幅度增加，后来大幅度下降，这是由于当料水比为1∶3（g∶mL）时发酵液过于黏稠，导致发酵不充分，但当料水比＞1∶6（g∶mL）时，水分含量过高，导致酒精含量下降。随着料液比的增加，发酵液中黄酮含量同样呈现先小幅增加后大幅度下降的趋势，且当料液比为1∶4（g∶mL）时发酵液中黄酮含量达到最高为76.66 μg/mL；当料液比＞1∶6（g∶mL）时，发酵液中总黄酮含量迅速下降。因此，选择料液比为1∶3～1∶5（g∶mL）进行后续试验。

2.4 正交试验结果分析

在单因素试验的基础上，对酵母添加量、发酵时间、料水比3个因素进行正交试验优化，正交试验结果与分析见表4，方差分析结果见表5、表6。

由表4结果可知，以酒精度为评价指标，对酒精度结果影响的因素顺序为：料水比＞酵母添加量＞发酵时间，最佳工艺参数组合为A2B2C2；以总黄酮含量为评价指标，对总黄酮含量影响的顺序为：发酵时间＞料水比＞酵母添加量。根据极差R的大小可知，最佳工艺参数组合为A2B1C1。由表5、表6方差分析可知，以酒精度为评价指标时，发酵时间及料水比都达到极显著水平（P＜0.01），发酵时间达到显著水平（P＜0.05），以总黄酮含量为评价指标时，发酵时间、发酵温度、料水比均达到显著水平，与极差分析相符合，综合酒精度与总黄酮含量两个评价指标来看，发酵时间对总黄酮含量影响比对酒精度的影响要大，于是选B1作为最佳发酵时间，料水比对酒精度的影响大于对总黄酮含量的影响，于是选取C2作为最佳料水比。因此，选择最佳工艺参数组合为A2B1C2，即酵母添加量为0.6%，发酵时间7 d，料水比1∶4（g∶mL）。在此最佳发酵条件下进行验证试验，得到的荞麦酒酒精度为10.1%vol，总黄酮含量为103.30 μg/mL。

表4 发酵条件优化正交试验结果与分析Table 4 Results and analysis of orthogonal experiments for fermentation conditions optimization

表5 以酒精度为评价指标正交试验结果方差分析Table 5 Variance analysis of orthogonal experiments results using alcohol content as evaluation index

表6 以总黄酮含量为评价指标正交试验结果方差分析Table 6 Variance analysis of orthogonal experiments results using total flavonoids content as evaluation index

3 结论

本研究以甜荞和苦荞作为原料，选用黄酒专用酵母为发酵菌种，通过5 L液态发酵罐发酵荞麦酒。在单因素试验的基础上，采用正交试验对荞麦酒的发酵工艺进行优化。结果表明，最佳发酵工艺参数为酵母添加量0.6%、发酵时间7d、料液比1∶4（g∶mL）。在此最佳工艺条件下，所得荞麦酒中酒精度为10.1%vol，总黄酮含量为103.30μg/mL。

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Fermentation process of buckwheat liquor in bioreactor

JIANG Ying,ZHOU Wenmei*(Guizhou Key Lab of Fermentation Engineering and Biopharmacy,School of Liquor and Food Engineering, Guizhou University,Guiyang 550025,China)

Using buckwheat and tartary buckwheat as raw material,buckwheat liquor was made by liquid-state fermentation in a 5 L bioreactor.The brewing parameters of buckwheat liquor was optimized by single factor and orthogonal tests.The results showed that the optimal fermentation conditions were determined as follows:yeast inoculum 0.6%,fermentation time 7 d,raw material to water ratio 1∶4(g∶ml).Under the conditions,the alcohol content of the buckwheat liquor was 10.1%vol,and total flavonoids content was 103.30 μg/ml.

bioreactor;buckwheat liquor;fermentation process

TS261.4

0254-5071（2017）01-0083-05

10.11882/j.issn.0254-5071.2017.01.017

2016-08-13

贵州科技攻关项目（黔科合农G字【2015】4003号）

姜莹(1990-)，女，硕士研究生，研究方向为食品资源利用。

*通讯作者：周文美(1964-)，女，教授，硕士，研究方向为生物化学及食品生物技术。