高粱吸水率和膨脹率測定參數優化及應用

張麗平，張 敏，侯格妮，袁先群，吳建霞，楊 浩

（貴州茅臺酒股份公司 質量部，貴州 仁懷 564501）

高粱（Sorghum bicolor（L.）Moench）是釀造白酒的主要原料，按性狀及用途可分為食用高粱、糖用高粱、帚用高粱等，其中食用高粱谷粒供食用、釀酒。在白酒生產工藝中，潤料的目的是讓高粱中的淀粉顆粒充分吸收水分，為蒸煮時淀粉糊化或為直接生料發酵創造條件，而蒸煮的目的就是在潤水的基礎上使淀粉顆粒進一步吸水糊化，生成有利于微生物利用的糖類，以利于后續的糖化發酵[1-2]。因而，吸水性和膨脹性作為評價高粱蒸煮品質的重要指標[3-4]，會直接影響出酒率及酒體的質量[5-6]，所以，各酒企對高粱品質都有著嚴格的要求[7-9]。有研究表明[10-14]，支鏈淀粉分子組成分枝較多，易吸水膨脹，有利于微生物的分解利用，更容易轉化為乙醇和多種風味物質，而直鏈淀粉具有抗潤脹性，破碎值低，不易被糊化，其糖化性能、發酵性能相對較差，且容易發生短期的老化回生，導致微生物利用困難。所以在釀造原料的選擇方面，應該結合生產工藝等實際情況因地制宜，選擇合適的釀酒原料。

高粱淀粉的種類與含量的高低與高粱的產地及品種有著直接的關系，我國高粱產區可以分為以華北、東北為主的北方地區和以四川、貴州為主的西南地區[15]。有研究表明：不同產地高粱在吸水、膨脹等蒸煮特性方面存在一定的差異[4，16-18]；而不同的干燥方式和溫度對稻谷淀粉的含量和品質也存在一定的影響[19]。

本研究以高粱為原料，采用單因素試驗及正交試驗探究加熱溫度、加熱時間、料液比對高粱吸水率和膨脹率的影響；并探討了不同產地、不同干燥方式處理的高粱樣品吸水率和膨脹率的差異性，以期為釀酒行業對高粱的選擇和驗收提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

高粱樣品共5份，分別編號1#、2#、3#、4#、5#，詳細信息見表1。

表1 高粱樣品的產地及外觀特點Table1 Origin and appearance characteristics of sorghum samples

1.2 儀器與設備

DK-98-Ⅱ電熱恒溫水浴鍋：江蘇科析儀器有限公司；ME4002E電子天平（感量0.01 g）：METTLER TOLEDO（中國）有限公司；Milli-Q IQ 7000純水機：Millipore公司；DGX-9143BG1鼓風恒溫干燥箱：上海滬粵明科學儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 吸水率和膨脹率的測定

高粱吸水率是指高粱在一定條件下吸收水分的質量占高粱質量的百分比，膨脹率是指高粱因吸收水分增加的體積占原體積的百分比。吸水率和膨脹率測定參照范志勇等[20]的方法，稍作改動。用四分法取樣，稱取60 g（m0）的高粱1#樣品，按照1∶5（g∶mL）料液比，加入超純水，將其放入恒溫水浴鍋中加熱60 min后取出，確保高粱顆粒的完整無破損，用紗布和濾紙吸干表面水分，稱量水浴加熱后的高粱質量（m1），用量筒分別測定水浴前后高粱樣品體積V0（水浴前）和V1（水浴后），計算高粱的吸水率和膨脹率，其計算公式如下：

1.3.2 高粱水分測定

高粱樣品水分測定依據GB 5009.3—2016《食品安全國家標準食品中水分的測定》[21]。

1.3.3 高粱吸水率和膨脹率測定參數優化

（1）單因素試驗

稱取60g備用的高粱1#樣品5份，分別按不同料液比（1∶3、1∶5、1∶7、1∶9、1∶11（g∶mL））加入不同溫度（20 ℃、40 ℃、60 ℃、80 ℃、100 ℃）超純水，并將其置于恒溫水浴鍋中分別加熱不同時間（40 min、60 min、80 min、100 min、120 min），分別考察料液比、加熱溫度、加熱時間對高粱樣品吸水率和膨脹率的影響。

（2）正交試驗設計

在單因素試驗的基礎上，以吸水率和膨脹率為考察指標，以加熱溫度（A）、加熱時間（B）和料液比（C）為影響因素，進行3因素3水平的正交試驗，確定高粱吸水率和膨脹率測定的優化參數。正交試驗因素與水平見表2。

表2 測定參數優化正交試驗因素與水平Table2 Factors and levels of orthogonal experiments for measurement parameters optimization

1.3.4 不同產地高粱吸水率和膨脹率的差異性

所測高粱樣品水分含量相同，在上述優化參數條件下，根據1.3.1中的方法分別測定高粱1#、高粱2#、高粱3#、高粱4#和高粱5#的吸水率和膨脹率，比較不同產地高粱吸水率和膨脹率的差異性。

1.3.5 不同干燥方式高粱吸水率和膨脹率的差異性

稱取10份60 g的高粱1#樣品，每2份一組，5組高粱樣品分別經自然光照干燥10 h、烘箱40 ℃烘8 h、烘箱100 ℃烘1 h、平底鍋翻炒8 min、平底鍋翻炒20 min處理后，各取1份測水分含量，另1份根據優化后的參數測吸水率和膨脹率，比較不同干燥方式高粱吸水率和膨脹率的差異性。

1.3.6 數據分析

用Excel 2007處理數據，Origin 8.0繪制圖表，Minitab16進行數據統計分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果分析

2.1.1 加熱溫度對高粱樣品吸水率與膨脹率的影響

由圖1可知，隨著加熱溫度在20～100 ℃范圍內的升高，高粱樣品的吸水率和膨脹率均隨之而增大。在20～60 ℃范圍內，吸水率和膨脹率上升速度緩慢，吸水率和膨脹率分別由35.04%和36.20%上升至48.65%和44.44%；在60～80 ℃范圍內，吸水率和膨脹率上升速度加快，且吸水率的增速大于膨脹率，吸水率和膨脹率分別由48.65%和44.44%上升至59.67%和56.25%。這可能是因為高粱淀粉屬限制型膨脹淀粉，存在初始膨脹階段和迅速膨脹階段，為典型的二段膨脹過程[22]。吸水率與膨脹率快速增長，高粱因膨脹而出現破裂，加入沸水的試驗樣在1 h左右慢慢變成糊狀，故此加熱溫度下的吸水率和膨脹率測定結果不準確，不具實際參考意義。綜合考慮，選擇最適加熱溫度為80 ℃。

圖1 加熱溫度對高粱樣品吸水率與膨脹率的影響Fig.1 Effect of heating temperature on water absorption rate and expansion rate of sorghum samples

2.1.2 加熱時間對高粱樣品吸水率與膨脹率的影響

由圖2可知，隨著加熱時間在40～120 min范圍內的增加，高粱樣品的吸水率和膨脹率均隨之先增加后平穩。在加熱時間40～100 min內，吸水率增速較膨脹率快，吸水率由42.80%升至61.78%，膨脹率由48.50%升至59.47%；在100～120 min內，吸水率和膨脹率均基本不變。已有研究表明，高粱吸水率與高粱品種有關，且隨著浸泡時間的增加其表面結構被破壞，高粱吸水率會緩慢上升，且高粱內部會發生生理變化[23-25]。綜合考慮，選擇最適加熱時間為100 min。

圖2 加熱時間對高粱樣品吸水率與膨脹率的影響Fig.2 Effect of heating time on water absorption rate and expansion rate of sorghum samples

2.1.3 料液比對高粱樣品吸水率與膨脹率的影響

由圖3可知，隨著料液比在1∶3～1∶7（g∶mL）范圍內的變化，高粱樣品的吸水率和膨脹率均隨之增加；在料液比為1∶7（g∶mL）時，吸水率與膨脹率均達到最大值，吸水率與膨脹率分別為63.52%和62.96%；料液比在1∶7～1∶11（g∶mL）時，吸水率與膨脹率均基本不變。綜合考慮，選擇最適料液比為1∶7（g∶mL）。

圖3 料液比對高粱樣品吸水率與膨脹率的影響Fig.3 Effect of solid-liquid ratio on water absorption rate and expansion rate of sorghum samples

2.2 測定參數優化正交試驗結果及分析

在單因素試驗的基礎上，以吸水率和膨脹率為考察指標，選取加熱溫度（A）、加熱時間（B）、料液比（C），進行3因素3水平的正交試驗，正交試驗結果與分析見表3，正交試驗結果方差分析見表4。

表3 測定參數優化正交試驗結果與分析Table3 Results and analysis of orthogonal experiments for measurement parameters optimization

表4 正交試驗結果方差分析Table4 Variance analysis of orthogonal experiments results

由表3可知，根據極差值R和R'，可知，各因素對高粱吸水率和膨脹率的影響主次順序均為：A（加熱溫度）＞B（加熱時間）＞C（料液比）。以吸水率和膨脹率為考察指標，最優參數條件組合均為A3B3C2，即加熱溫度85 ℃，加熱時間110 min，料液比1∶7（g∶mL）。在此優化條件下進行3次平行驗證試驗，吸水率和膨脹率均值分別為68.13%和65.60%。

由表4可知，因素A（加熱溫度）對于高粱樣品的吸水率和膨脹率均有極顯著的影響（P＜0.01），而因素B（加熱時間）和C（料液比）對高粱樣品的吸水率和膨脹率的影響均不顯著（P＞0.05）。

2.3 不同地區高粱樣品吸水率和膨脹率的差異

由圖4可知，西南地區高粱樣品1#（吸水率67.71%和膨脹率64.07%）、樣品2#（吸水率80.72%和膨脹率68.25%）和樣品3#（68.54%和61.33%）均高于東北高粱樣品4#（吸水率61.22%和膨脹率48.81%）和江蘇高粱樣品5#（吸水率48.20%和膨脹率40.00%），這與何誠等[26-27]的研究結論一致，可能與高粱內部淀粉種類和組成有關，西南地區高粱多為糯高粱，支鏈淀粉含量高，支鏈淀粉分支結構多，具有較強的吸水性和持水力；另外，同為西南地區的高粱樣品1#和3#吸水率（67.71%和68.54%）和膨脹率（64.07%和61.33%）要低于樣品2#（吸水率80.72%和膨脹率68.25%），并且在優化試驗條件下處理高粱樣品，樣品1#和3#顆粒出現少部分破裂，樣品2#只是顆粒變軟并未破裂，這可能與不同品種的高粱種皮厚度和顆粒大小有關。故在釀酒高粱選擇時應根據自身生產工藝特點選擇適合的高粱品種。

圖4 不同產地高粱樣品的吸水率和膨脹率差異性Fig.4 Difference of water absorption rate and expansion rate of sorghum samples from different producing areas

2.4 不同干燥方式高粱吸水率和膨脹率的差異性

由表5可知，自然光干燥10 h、烘箱40 ℃烘8 h及短時間的翻炒處理對高粱吸水率和膨脹率的影響較原樣均不超過±2%；而高溫干燥和長時間翻炒處理使得高粱樣品的吸水率和膨脹率都開始下降，高溫干燥處理后吸水率和膨脹率分別由68.13%和65.60%下降至57.22%和45.75%；長時間翻炒處理后使得高粱樣品的吸水率和膨脹率分別由68.13%和65.60%下降至59.32%和47.17%，且膨脹率下降較明顯。這可能是因為高粱長時間處于高溫條件下，淀粉分子內的化學鍵已發生斷裂，分子結構發生變化，有研究表明，溫度對谷物的吸水能力有一定的影響，這可能是由于溫度的升高，高粱胚乳中淀粉顆粒間形成的羥基鍵發生了斷裂，高粱持水力降低，且隨著溫度的升高導致高粱的表皮受損[28-29]。從而影響其吸水率和膨脹率。故為保證出酒率及酒質應選擇自然或低溫干燥達到降低水分的要求。

表5 不同干燥方式高粱樣品吸水率和膨脹率的差異性Table5 Difference of water absorption rate and expansion rate of sorghum samples by different drying methods

3 結論

高粱吸水率和膨脹率的最佳測定參數為加熱溫度85℃、加熱時間110 min、料液比1∶7（g∶mL）。在此優化條件下，高粱樣品1#的吸水率和膨脹率最優，分別為68.13%和65.60%。西南地區高粱吸水率和膨脹率最高，其次為東北高粱，江蘇高粱吸水率和膨脹率最低；低溫干燥和短時間的翻炒處理對高粱的吸水率和膨脹率影響不大，而高溫干燥和長時間翻炒使得吸水率和膨脹率都開始下降，且膨脹率變化較明顯。酒企可根據自身生產工藝要求選擇合適的高粱品種，在高粱干燥方式上應選擇自然干燥或低溫干燥。

本研究結果可為釀酒行業對高粱的選擇和驗收提供一定的參考依據，但造成不同地區、不同干燥方式處理的高粱吸水率和膨脹率差異的具體原因還有待進一步的研究。