随着人们消费水平的提高和市场需求的增加,精酿啤酒凭借其多种多样的风格和口味受到广大消费者的青睐[1]。有数据表明,自2017年以来,中国精酿啤酒的企业年新增数目、总销售量不断上升,预计到2025年,国内精酿啤酒市场规模将达到875亿元,渗透率为11%[2]。开发品类丰富、品质优良、功能突出的精酿啤酒生产专用特种麦芽意义重大[3]。
特种麦芽是一类采用特殊制麦工艺、特殊设备、特殊原料等条件制成的具有较高色度、特殊风味或用途,可满足啤酒在色、香、味、口感、泡持性等方面特殊要求的谷物或发芽谷物[4]。在轻工行业标准QB/T 1686—2008《啤酒麦芽》中,将特种麦芽分为淡色麦芽、焦香麦芽、浓色麦芽和黑色麦芽,并对特种麦芽的品质进行了技术要求和综合评价;在商业模式中,特种麦芽的分类更细致,如结晶麦芽、咖啡麦芽、巧克力麦芽、黑麦芽、焦香麦芽等[5]。其中,结晶麦芽是调节精酿啤酒风味、口感和色泽最简单、最有效、最常用的方法之一[6]。
结晶麦芽是一类具有典型焦糖风味的着色麦芽,在啤酒酿造中的应用非常广泛,如英式和美式艾尔啤酒、世涛啤酒等。添加结晶麦芽不仅能给啤酒带来焦糖、太妃糖等令人愉悦的风味,还能给啤酒带来漂亮的棕红色[7]。随着结晶麦芽的需求稳步增长,越来越多的工作人员开始关注该领域研究[8]。李存等[9]通过研究结晶麦芽对啤酒风味的影响,发现结晶麦芽可以提高啤酒醇、酯和有机酸的含量,进而提升啤酒感官品质。于淼等[10]通过对结晶麦芽进行风味物质鉴定和嗅闻研究,发现(Z)-7-十六碳烯醛、壬醛、辛醇、正癸醛和2-甲基丁醛是构成结晶麦芽烤红薯味、蜂蜜味和烤面包味的主要风味物质。
结晶麦芽的品质形成机理较为复杂,主要涉及原位糖化、美拉德反应、焦糖化反应等生物化学反应。详细阐明结晶麦芽品质形成机理对进一步提升结晶麦芽的品质极为重要。本文从结晶麦芽简介、结晶麦芽品质形成机理及其制备工艺三个方面展开综合论述,分析了结晶麦芽品质影响因素,提出了结晶麦芽品质提升方向,为深入研究结晶麦芽的品质提供更加科学、合理的理论依据,也为生产人员解决结晶麦芽制备过程中遇到的问题提供相应思路。
结晶麦芽(crystal malt),又称焦糖麦芽(caramel malt),是一种采用特殊焙烤工艺制成的焙烤麦芽,外观为棕色,粒圆而光滑,胚乳呈稳定的水晶、玻璃状,味稍苦、芳香[11]。优质结晶麦芽90%以上表现出坚硬的玻璃质性质,麦芽表面光滑、明亮、色泽均匀、没有任何黑斑[12]。按照色度不同可将结晶麦芽分为浅色结晶麦芽和深色结晶麦芽。浅色结晶麦芽用于提升浅色啤酒的口感层次,强化麦芽香味,赋予啤酒蜂蜜的味道;而深色结晶麦芽则用于增强深色啤酒的口感丰满度,增加啤酒色度,赋予啤酒焦糖、太妃糖的味道[13]。浅色结晶麦芽和深色结晶麦芽的性质如表1所示[14-16]。
表1 结晶麦芽的性质
Table 1 Properties of crystal malt
项目 浅色结晶麦芽 深色结晶麦芽外观香味切断实验色度/EBC无水浸出物含量/%还原糖含量/%(以干物质计)淡黄色至浅琥珀色,麦粒膨胀饱满具有甜味及焦糖味胚乳呈淡黄色或琥珀色玻璃质状40~70 65~75 30~50黄褐色,麦粒膨胀饱满具有甜味及焦糖味胚乳呈琥珀色玻璃质状100~140 65~75 30~50
结晶麦芽一般以绿麦芽为原料,通过糖化和焙焦两个阶段制备而成[15]。绿麦芽是大麦发芽后形成的产物,内部含有大量酶系,其中比较重要的是α-淀粉酶和β-淀粉酶。为使酶充分发挥作用,将淀粉和蛋白质分别降解为还原糖和氨基酸等小分子物质,需要在温度为60~80 ℃的环境下进行60~90 min的糖化处理,然后根据需要在不同温度下进行高温焙焦,得到色度、风味不一的结晶麦芽[17]。在实际生产中,结晶麦芽的制备过程需要调整不同的工艺参数,以满足非酶促褐变反应产生大量色素和风味物质,达到生产目的[18]。
色度是鉴别和表征特种麦芽的重要分析指标,根据生产中的麦芽外观颜色深浅可粗略判断其色度范围[18],最终根据色度进行分类[19-20]。实际上,结晶麦芽的色度分布范围非常广泛,至今尚未形成统一的标准体系。有研究将色度在40~70 EBC的麦芽称为浅色结晶麦芽,色度在100~140 EBC的麦芽称为深色结晶麦芽[14];也有研究将50~80 EBC的麦芽称为浅色结晶麦芽,将280~320 EBC的麦芽称为深色结晶麦芽[21]。结晶麦芽色度分布广泛,但色调较为单一,以土黄色、浅棕色和棕红色为主[7],相对缺乏更受消费者青睐的红色调。未来研究可更多关注结晶麦芽红色调的形成机理及工艺。
风味是结晶麦芽的关键品质指标。目前,国内外研究者已从结晶麦芽中发现了200多种挥发性风味化合物,这些风味物质多是一些含氧、含氮、含硫的杂环化合物(表2),对麦芽整体的风味贡献最大[7]。含氮杂环化合物主要包括吡咯、吡啶和吡嗪,多具有焦香、焦糖和坚果香气。含氧杂环化合物主要包括呋喃、呋喃酮和γ-吡咯酮,其中含量较高的为糠醛和2-乙酰基呋喃[22]。糠醛赋予麦芽焦糖味、烤面包和坚果香味;2-乙酰基呋喃赋予麦芽甜香、焦香和咖啡味。SU X X等[23]在结晶麦芽中检测出8种含氧杂环化合物,赋予麦芽整体焦香味的特征。醛类在特种麦芽中的数量较多,主要包括异戊醛、正己醛和2-甲基丁醛等[22]。醇类被认为是脂肪酸氧化的产物,在麦芽中的含量仅次于醛类。YAHYA H等[24]在结晶麦芽中检测发现异麦芽醇、2-呋喃甲醇的含量较高,赋予麦芽焦糖香气。
表2 结晶麦芽的风味物质
Table 2 Flavor compounds of crystal malt
注:“+”表示含量低,“++”表示含量中等,“+++”表示含量高。
风味化合物 风味描述 含量2-苯基-2-烯醛2-乙酰呋喃异麦芽酚糠醛2-乙酰吡咯2-乙酰吡嗪2-乙酰吡嗪2-呋喃吡嗪4-乙烯基愈创木酚4-乙基愈创木酚花香、粉香、青香、可可香脂香、焦糖香、坚果和烟熏味甜味、焦糖味面包香、坚果味、焦糖味面包香、胡桃香、甘草香爆玉米花味、烘烤味爆玉米花味、烘烤味甜香味、咖啡香味丁香、咖喱香、香料味香草、烟熏、丁香香气++++++++++++++++++
在啤酒酿造方面,结晶麦芽可赋予啤酒独特的风味特征(糖怡味、栗味、敛口、干爽、焦苦、果味和酯味),调节啤酒色泽的深浅,提升啤酒口感的醇厚性,同时有利于增加啤酒泡沫的数量和稳定性[22,25]。结晶麦芽还含有多酚等抗氧化物,添加结晶麦芽可提高啤酒多酚水平,增强啤酒抗老化能力,维持啤酒风味和稳定性,增长啤酒货架期[26-27]。一般结晶麦芽的添加量为原料的3%~8%(W/W),添加过多会破坏啤酒的风味平衡,带来一种尖涩的口感和较重的糊味;添加过少则会损失啤酒的醇厚度和风味[7]。WANG S等[21]通过理化、风味、感官等多方面研究发现,添加6%的结晶麦芽到啤酒配方中,可显著改善啤酒的泡沫、口感、香气和整体接受度。REGLITZ K等[28]研究发现,使用30%的结晶麦芽酿造小麦啤酒,可表现出更强的焦糖味、烟熏味、泥土味、烘烤味和麦芽味。
结晶麦芽的品质形成机理较为复杂,综合前人[29-31]的研究结果可知,结晶麦芽的品质形成机理主要涉及原位糖化、美拉德反应、焦糖化反应等。
原位糖化(in situ saccharafication)是指每个麦芽籽粒在内部模拟啤酒糖化的过程。麦芽利用自身含有的各种酶系,在适宜条件下,将麦芽中的不溶性高分子化合物(淀粉、蛋白质等)逐步分解为可溶性低分子化合物(糖类、氨基酸等)[32]。原位糖化不仅是麦芽中糖类物质和氨基酸积累的关键过程,还是结晶麦芽品质形成的重要阶段。在原位糖化中,α-淀粉酶、β-淀粉酶以及蛋白酶等对淀粉和蛋白质的分解起到关键作用。糖化速率及糖化效果与反应温度密切相关,低温状态下酶活性较低,温度过高则容易导致酶失活。与温度相同,pH对酶活性及酶与底物的亲和力有重要影响。pH过低将大幅降低糖化酶的酶解速率,pH在4.5左右时,糖化速率较高,最适宜糖化反应进行[33]。
美拉德反应(Maillard reaction)又称羰胺反应或非酶促褐变反应,本质上是蛋白质、氨基酸上的氨基与还原糖上的羰基之间经通过缩合、聚合、降解、环合等各种化学反应生成棕色或黑色的类黑精大分子物质的反应[34]。TRIGUEROS E等[35]研究发现,美拉德反应产物如5-羟甲基糠醛(5-hydroxymethylfurfural,HMF)、糠醛、2-呋喃甲醇、1-(2-呋喃基)-乙酮、5-甲基-2-糠醛等,对食品的色泽、香气和风味具有重要影响。美拉德反应机理非常复杂,迄今为止,美国化学家HODGE J E[36]提出的网络系统分类图解(图1)仍被认为是最经典的诠释。
图1 美拉德反应机制
Fig.1 Mechanism of Maillard reaction
对结晶麦芽颜色贡献最大的是美拉德反应终产物类黑精,根据反应程度的不同,结晶麦芽产生淡黄色到深褐色不等的颜色[37-38]。中间体对麦芽颜色的形成也非常重要,其中最重要的中间体是3-脱氧蔗糖和3,4-二脱氧蔗糖-3-烯,其他几个降解产物如乙二醛、甲基乙二醛、羟基-2-丙酮、3-羟基-2-丁酮和乙醇醛也被确定为主要的褐变前体物质[19]。对结晶麦芽风味贡献最大的是低分子量的中间美拉德反应产物,如早期Amadori产物,可降解生成醛类、酮类、酯类、醇类、吡咯类等小分子风味物质,赋予结晶麦芽经典的焦糖、奶油风味[39]。DANIEL H等[40]在核糖-甘氨酸系统(100 ℃)的10 h反应中鉴定出300多种中间体,其中α-二羰基化合物是美拉德反应的前体。
美拉德反应通常在中性或碱性条件下开始,逐渐变为酸性,这种变化主要由糖、多肽和游离氨基酸降解产生有机酸引起[41]。随着人们对美拉德反应机理理解的深入,反应底物的特性、pH值、水分活度、反应温度和时间等成为研究人员重点关注的对象。YANG N等[42]通过添加果糖和L-谷氨酸提高了兰茅积雪草蘑菇水解产物中吡嗪和酮类化合物的含量;CHEN X等[43]通过添加不同糖和氨基酸改变了食用菌苦味和咸味的味觉性状,同时发现美拉德反应产物的风味特性和感官特性在很大程度上取决于氨基酸的类型。未来结晶麦芽的制备工艺也可参考这些工作。
焦糖化反应(caramelization reaction)是糖类,尤其是单糖在高温环境下发生脱水、降解并发生褐变的过程,也是结晶麦芽整体香气和色泽形成的重要原因[44]。焦糖化反应主要涉及初始烯醇化、脱水、二羰基逆烯醇化、醛醇化和自由基反应几个阶段,其中烯醇化脱水形成α-二羰基是关键中间体,它会进一步形成不饱和环产物,如呋喃衍生物等(图2)[45]。由于缺少氨基作为催化剂,焦糖化反应速率比美拉德反应稍慢。当温度大于120 ℃时,焦糖化反应发生,酸性或碱性环境则会加速它的发生。酸性条件下,戊糖脱水形成糠醛,己糖形成5-羟甲基糠醛,还会产生麦芽酚、异麦芽酚和乙酰基呋喃,赋予结晶麦芽焦糖、棉花糖、烤面包等甜香味。碱性条件下,糖分子发生烯醇化甚至碎片化反应,进一步形成其他风味物质。除了产生上述风味物质外,该反应还会产生焦糖素(caramelans)、焦糖烯(caramelens)、焦糖酐(caramelins)等大量的深色大分子物质,赋予结晶麦芽较深的颜色[44]。近年来,焦糖化反应产物的抗氧化性越来越受到关注,如DOI S等[46]通过评估岩藻糖、半乳糖醛酸和N-乙酰氨基葡萄糖焦糖化反应产物的自由基清除活性,发现它们均比葡萄糖热反应产物的活性强,尤其是N-乙酰氨基葡萄糖焦糖,作为多酚来源和抗氧化剂具有巨大潜力。此外,大多学者认为焦糖化反应和美拉德反应以平行、连续的方式同时发生,相互影响并增加整个反应过程中的化学多样性[29,47]。
图2 焦糖化反应示意图
Fig.2 Schematic diagram of caramelization reaction
结晶麦芽的制备是在一定水分含量(41%~46%)和温度(60~75 ℃)下将麦芽糖化,然后根据目标麦芽的不同品质要求,在100~150 ℃下高温焙焦,焙焦后的麦芽胚乳呈浅棕黄色的玻璃质结晶状,具有较强的甜味和焦糖味[14]。制备工艺一般包括绿麦芽预糖化、排潮、焙焦、除根等。与其他麦芽相比,结晶麦芽需要在发芽后进行预糖化并高温焙焦[48]。麦芽糖化实际上是模拟啤酒酿造中的糖化工艺,将绿麦芽整颗投入水中,在适宜的温度、时间、水分含量等条件下,麦芽中的蛋白酶将蛋白质分解为氨基酸,淀粉酶将淀粉分解为麦芽糖、葡萄糖等还原糖,共同为美拉德反应和焦糖化反应做准备[49]。然后通过排潮和高温焙焦,多余水分被蒸发,大量糖类物质脱水缩合发生美拉德和焦糖化反应,产生大量呈色呈香物质,包括醇、醛、酸、酮、酯以及大量含氧、含氮的杂环化合物,使结晶麦芽具有类似太妃糖和焦糖的味道,而且对麦芽结晶率提升、色泽形成以及风味呈现也具有重要影响[50-53]。焙焦结束后将麦芽快速冷却、除根,即制得香气浓郁的结晶麦芽。影响结晶麦芽制备工艺的因素很多,包括原料大麦品种、绿麦芽发芽工艺、糖化工艺(温度、时间、水分含量)以及焙焦工艺(温度、时间)等[54]。
不同品种大麦的化学组成、浸出率和酶活力不同,制麦时使用的生产工艺也不同。蛋白质含量高的大麦,制麦损失高,麦芽浸出率低,啤酒的非生物稳定性差;酶活力低的大麦,发酵度低,麦汁降糖困难;麦胶物质含量高的大麦,麦芽质量差,不易溶解;皮厚的大麦,啤酒颜色较深,容易浑浊[14]。据美国啤酒大麦协会(American Malting Barley Association,AMBA)报道,Mayflower蛋白质较低、酶活适中,可用于酿造所有麦芽啤酒;Avalon具有较高的浸出率和较低的β-葡聚糖,可满足大多酿造商的需求;CDC Fraser提供高酶活、高提取物和高产量,在麦芽、酿造和蒸馏行业均发挥重要作用[55]。选择合适的大麦品种对制定结晶麦芽生产工艺、提高结晶麦芽生产效率、促进结晶麦芽市场健康发展具有重要意义。
发芽工艺是整个制麦工艺的核心[12]。在发芽过程中,大麦利用自身酶系降解细胞壁和蛋白质,促进胚乳中风味物质前体(氨基酸和糖)的利用,间接影响结晶麦芽风味的形成[50]。在一定范围内,水分含量越高,通风条件(麦层CO2浓度低)越好,发芽温度较高(17 ℃),α-淀粉酶形成速率越快。但高温17 ℃发芽最后的酶活力不及低温13 ℃发芽的酶活力高,最适宜的发芽温度条件是先高温后低温。β-淀粉酶的活力与大麦品种、生长条件和收获年份有关,尤其是蛋白质含量。大麦的蛋白质含量高,β-淀粉酶活力也较高。在发芽过程中,低温(13~15 ℃)以及较高的水分含量会促进β-淀粉酶活力增长,当水分含量超过43%时,酶活力增长明显变慢[56]。发芽温度和湿度对绿麦芽的生长发育非常重要,温度过高容易滋生霉菌,温度过低则会使大麦停止发芽。发芽时间与上述发芽条件有关,发芽温度越低、水分含量越少、麦层含氧越贫,麦芽生长越慢,溶解程度越慢,所需发芽时间越长。此外,发芽时间与大麦品种和所制麦芽类型有关,浅色麦芽所需的发芽时间比深色麦芽短,一般浅色麦芽需要5~7 d,深色麦芽需要7~9 d[14]。合理控制发芽过程中的水分含量、温度和通风条件可以提高麦芽酶活性和溶解程度,增强还原糖和氨基酸的利用效率,进而提升结晶麦芽风味品质。
糖化是影响结晶麦芽品质的重要因素之一,通过控制氨基酸、还原糖等美拉德反应底物的含量或比例可直接影响结晶麦芽的风味和色度[22]。在糖化过程中,麦芽中的蛋白质和淀粉等大分子物质分别在蛋白酶和淀粉酶的作用下分解形成氨基酸、还原糖等小分子物质,为美拉德反应提供反应底物[32]。其中,淀粉分解是否彻底不仅影响结晶麦芽的风味品质,还直接影响结晶麦芽的结晶率。而蛋白质分解产物主要起调节修饰作用,通过减少蛋白质-淀粉复合物的形成,提高酶活性,进而使糖化过程更加顺利[57]。糖化效果与α-淀粉酶和β-淀粉酶的共同作用密切相关,α-淀粉酶耐高温,在93~95 ℃仍能保持足够高的活性,β-淀粉酶最适温度较低,为50~55℃[58]。由于糖化过程中麦芽有外壳保护,导致麦芽内部温度与环境温度存在差异,准确控制糖化温度对提高酶利用效率、提升结晶麦芽品质具有重要意义。
焙焦是决定结晶麦芽色泽和风味的关键阶段[50]。在焙焦过程中,麦芽内部的还原性糖脱水缩合发生焦糖化反应,形成大量结晶物质,并伴随美拉德反应生成大量呈色呈香类物质[59]。温度和时间都将影响美拉德反应和焦糖化反应的程度,进而影响结晶麦芽的色度和风味,因此选择合适的焙焦工艺对提高结晶麦芽品质特性,升华精酿啤酒感官品质具有重要意义。一般来说,反应速率随温度的升高而加快,通常控制在110~150 ℃较为适宜。温度过高会破坏底物与产物,降低产物得率;温度过低则会减缓反应速率,影响风味物质的形成[32]。刘常波[60]通过单因素试验发现,在110 ℃下焙焦35 min制得的浅色结晶麦芽结晶率最高,风味品质更佳。同时也有研究发现,水分含量会影响结晶麦芽焙焦效果,高水分含量的麦芽在焙焦时更有利于呋喃酮的生成,赋予麦芽一种类似于菠萝的风味[61]。在焙焦过程中,风味物质的变化往往是瞬间产生和瞬间消失的动态平衡过程,研究通过调节焙焦温度、焙焦时间等因素来控制结晶麦芽中特定风味物质的浓度、平衡结晶麦芽色度风味品质、保障结晶麦芽产品的稳定性将是未来结晶麦芽工作热点。
结晶麦芽作为一种具有典型焦糖风味的特种麦芽,受到国内外众多研究者的广泛关注。在品质形成方面,关于结晶麦芽的颜色和风味研究非常广泛,包括颜色和风味的关系、颜色和抗氧化性的关系等。在制备工艺方面,由于热加工步骤对结晶麦芽的品质影响较大,所以糖化和焙焦工艺是研究者们提升麦芽品质的重点关注对象。其他关于结晶麦芽制备工艺的研究也很多,例如大麦品种选择、发芽时间、水分含量等。在生产应用方面,结晶麦芽主要作为辅料添加到啤酒配方中,通过改变麦芽种类、添加比例等条件来调节酒体的颜色和风味,以满足消费者的不同需求。实际上,结晶麦芽不仅可以应用到啤酒酿造中,还可以应用到食品加工、生物医药等领域,对其应用标准的建立和实施将是未来研究工作的一个重要方向。通过本文综合论述,希望能为结晶麦芽品质的进一步研究提供理论基础,为科研、生产人员制备优质结晶麦芽提供解决思路,以期生产出色度、风味等品质更佳的国产结晶麦芽。
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Analysis on the quality formation mechanism and research progress on the preparation process of crystal malt