莜麦（Avena nuda）亦称裸燕麦，属禾本科燕麦属，作为一种喜凉爽且抗旱能力强的粮食作物，主要种植于我国西北，西南，华北等地区[1-2]。 莜麦是一种高营养的全谷物，其蛋白质含量在所有谷物中最高、碳水化合物含量在所有谷物中最低，还富含维生素、β-葡聚糖、矿物质和膳食纤维，有降血脂、降血压、控制血糖、促进肠道健康和辅助体重管理等保健作用[3-5]，国际卫生组织（World Health Organization，WHO）正式推荐莜麦为保健食品。 莜麦主要制成莜麦面粉或莜麦麦片等粗加工产品，莜麦精深加工产品较少。
精酿啤酒作为新兴啤酒酿造方式，已成为啤酒消费市场的新增长亮点[6-7]。2024年中国规模以上企业啤酒产量为3 521.3万kL，相对于传统的工业啤酒而言，精酿啤酒因其原料选择优质多样、酿造工艺个性突出、风味口感丰富等特点，越来越受到消费者的欢迎，具有很强的市场竞争力和广阔的发展空间[8]。目前已有百香果啤酒等水果精酿啤酒、苦瓜啤酒等蔬菜精酿啤酒[9]及青稞啤酒等粗粮精酿啤酒[10-11]。 以米草、藜麦、黑青稞等杂粮作为原料酿造的精酿啤酒，相比于传统大麦、小麦精酿啤酒往往具备更高的营养价值，如米草精酿啤酒中总黄酮含量为110.85 μg/mL，多糖含量为13.15 μg/mL[12]；藜麦啤酒中2-甲基丁醇、2-苯乙醇、乙酸异戊酯等挥发性风味物质含量以及乙醛和醇酯比均低于大麦啤酒，具有良好风味的同时可减少饮酒后的“上头感”[13]；以黑青稞裸麦为原料酿造啤酒，随着黑青稞麦芽比例提升，啤酒中β-葡聚糖与花色苷含量明显上升[14]。目前，国内外鲜见以莜麦作为原料酿造啤酒的研究报道。
本研究以大麦芽、莜麦为原料发酵莜麦精酿啤酒，研究原料中莜麦添加量、酒花添加量、酵母添加量和主发酵温度对莜麦精酿啤酒酒精度和感官评分的影响，采用响应面试验优化莜麦精酿啤酒发酵条件，并对其品质指标进行分析，以期丰富精酿啤酒的种类，为莜麦的高值化利用以及莜麦精酿啤酒的规模化生产奠定理论基础。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
1.1.1 材料
大麦芽：上海子本实业有限公司；莜麦：内蒙古万福利生物科技有限公司；干制啤酒花：润林精酿啤酒原料有限公司；啤酒高活性干酵母S-33（活细胞数≥6×109个/g）：法国弗曼迪斯酵母公司。
1.1.2 化学试剂
碘、碘化钾（均为分析纯）：国药化学试剂集团有限公司；盐酸、柠檬酸钠（均为分析纯）：四川陇西科学有限公司；氢氧化钠（分析纯）：天津津东天正精细化学试剂厂；氨基酸混标（纯度＞98%）：和光纯药工业株式会社。
1.2 仪器与设备
WZS 32型手持式折射仪：上海仪电物理光学仪器有限公司；S400 K台式pH计：梅特勒托利多有限公司；FD-07全自动啤酒分析仪：FunkeGerber有限公司；100 L精酿啤酒生产线：山东赫尔曼精酿啤酒设备有限公司；Y90L-4型粉碎机：上海星邦机电有限公司；FA-1004电子天平：上海舜宇恒平科学仪器有限公司；TGL-16M离心机：湘潭湘仪仪器有限公司；LA8080全自动氨基酸分析仪：日本日立公司。
1.3 方法
1.3.1 莜麦精酿啤酒加工工艺流程及操作要点
大麦芽、莜麦→粉碎→糖化→过滤→煮沸、回旋沉淀、冷却→接种→主发酵→后发酵→澄清过滤→成品
操作要点：
原料预处理：将莜麦粉碎至20～40目，放入蒸锅中蒸汽处理8～15 min；大麦芽粉碎：采用湿法粉碎，粉碎时保证皮壳完整，粉碎至40～60目。
糖化：采用一次煮出糖化法[15]。将莜麦和大麦芽以质量比1∶5混合后，按料液比1∶4（g∶mL）加水进行糖化，第一阶段35 ℃保温30 min；第二阶段升温至50 ℃保温30 min；第三阶段升温至65 ℃，保温30 min后进行碘试（若不完全，延时至碘试合格）；第四阶段升温至78 ℃，保温10 min，糖化结束。
过滤：糖化醪液通过麦汁过滤槽进行过滤，用80 ℃热水洗糟2～3次，洗槽水一并打入煮沸锅。
煮沸、回旋沉淀、冷却：煮沸时间为45 min，在煮沸过程中按0.4 g/L（以麦汁体积计）加入酒花，煮沸后5 min加入酒花总质量的50%，煮沸25 min后添加剩余酒花，煮沸结束后打入回旋沉淀槽进行回旋沉淀，再经薄板换热器冷却至22 ℃。
主发酵：将酵母（接种量为6%）接种至冷却后的麦汁中，主发酵温度为20 ℃，发酵4～6 d，测定糖度至稳定不变时终止主发酵。
后发酵：后发酵温度为8 ℃，当酒体开始澄清时，降温至0～2 ℃，终止后发酵。
澄清、过滤：以硅藻土为过滤介质，经板框过滤机过滤后得到莜麦精酿啤酒成品。
1.3.2 莜麦精酿啤酒发酵工艺优化
（1）单因素试验
在上述生产工艺基础上，分别考察莜麦添加量（10%、15%、20%、25%、30%）、酒花添加量（0.2 g/L、0.3 g/L、0.4 g/L、0.5 g/L、0.6 g/L）、酵母添加量（4%、5%、6%、7%、8%）和主发酵温度（16 ℃、18 ℃、20 ℃、22 ℃、24 ℃）对莜麦精酿啤酒感官评分及酒精度的影响。
（2）响应面试验
基于单因素试验结果，选取莜麦添加量（A）、酒花添加量（B）、酵母添加量（C）、主发酵温度（D）作为自变量，以感官评分（Y）为响应值，采用Design-Expert 8.0.6软件进行4因素3水平Box-Behnken响应面试验优化发酵工艺，Box-Behnken响应面试验因素与水平见表1。
表1 发酵工艺优化Box-Behnken试验设计因素与水平
Table 1 Factors and levels of Box-Behnken experiments design for fermentation process optimization
水平 A 莜麦添加量/%D 主发酵温度/℃-1 B 酒花添加量/（g·L-1）C 酵母添加量/%01 15 20 25 0.3 0.4 0.5 567 18 20 22
1.3.3 分析检测
原麦汁浓度、酒精度测定：采用FD-07全自动啤酒分析仪；pH测定：采用pH计；氨基酸测定：按照国标GB/T 5009.124—2016《食品中氨基酸的测定》，采用全自动氨基酸测定仪[16]；色度测定：按照国标GB/T 4928—2008《啤酒分析方法》。
1.3.4 莜麦精酿啤酒感官评价
选取15名经过感官评价培训的人员，参照GB/T 4927—2008《啤酒》及文献[17-19]从外观、口味、气味及泡沫性能4个方面对莜麦精酿啤酒进行感官评价，满分100分，莜麦精酿啤酒感官评价标准见表2。
表2 莜麦精酿啤酒感官评价标准
Table 2 Sensory evaluation standards of naked oats craft beer
项目 评价标准 分数/分16～20外观（20分）口味（40分）酒体澄清透明、具有良好光泽感，颜色呈淡金色、黄色或金黄色（无偏绿）。酒体较澄清，透光可见有少许悬浮物，颜色为淡黄色或金黄色（略偏绿）。酒体混浊、有明显悬浮物，颜色为土黄色（偏绿）或黄绿色。酒花香味、麦芽香味与莜麦香味口感协调，有愉悦苦味。酒花香味、麦芽香味与莜麦香味口感其中一种较为突出，口感不协调。酒花香味、麦芽香味与莜麦香味口感其中一种尤为突出，苦、涩、酸味明显。10～15＜10 25～40 10～24＜10气味（30分）泡沫性能（10分）有明显莜麦香气且与麦芽香气、酒花香气协调。莜麦香气，麦芽香气、酒花香气其中一种较为突出。莜麦香气不明显或过于明显掩盖了麦芽香气及酒花香气。泡沫丰富且细腻洁白，无杂质，泡持性好。泡沫较丰富，较细腻洁白，有细小杂质，具有一定泡持性。泡沫不丰富细腻，有杂质，不挂杯。20～30 10～19＜10 5～10 1～4＜1
1.3.5 数据处理
利用Origin 8.5软件处理试验数据，Design-Expert 8.0.6软件进行响应面试验设计及数据处理。
2 结果与分析
2.1 发酵工艺优化单因素试验结果
2.1.1 莜麦添加量的确定
莜麦中蛋白质含量为15%左右，而大麦中蛋白质含量为10%左右。在原料中添加一定比例的莜麦，除了赋予啤酒独特风味，还可以提高泡沫和酒体稳定性，控制啤酒中的高级醇[20-21]。莜麦添加量对莜麦精酿啤酒品质的影响见图1。
图1 莜麦添加量对莜麦精酿啤酒品质的影响
Fig.1 Effect of naked oats addition on the quality of naked oats craft beer
由图1可知，当莜麦添加量在10%～30%范围内增加，酒精度逐渐下降，由3.14%vol下降至2.38%vol，这是由于莜麦中碳水化合物（67.7 g/100 g）含量低于大麦（73.3 g/100 g）[3]，随着原料中莜麦添加量的增加，降低了原料中的碳水化合物含量，进而降低了麦汁中可溶性糖类。随着莜麦添加量在10%～20%范围内的增加，感官评分逐渐增加；当莜麦添加量为20%时，感官评分最高，为86.64分，此时，酒精度为2.81%vol；当莜麦添加量＞20%时，感官评分有所下降。综合考虑，确定最佳莜麦添加量为20%。
2.1.2 酒花添加量的确定
在煮沸过程中添加酒花可以促进酒花香气的释放[22-23]，酒花添加量对莜麦精酿啤酒品质的影响见图2。
图2 酒花添加量对莜麦精酿啤酒品质的影响
Fig.2 Effect of hops addition on the quality of naked oats craft beer
由图2可知，当酒花添加量在0.2～0.4 g/L范围内增加，酒精度及感官评分整体呈上升趋势，当酒花添加量为0.4 g/L时，酒精度及感官评分均达到最高值，分别为2.98%vol、88.39分；当酒花添加量＞0.4 g/L时，酒精度及感官评分有所降低。综合考虑，确定最佳酒花添加量为0.4 g/L。
2.1.3 酵母添加量的确定
酵母添加量会影响啤酒的风味和特征[24-25]，酵母添加量对莜麦精酿啤酒品质的影响见图3。
图3 酵母添加量对莜麦精酿啤酒品质的影响
Fig.3 Effect of yeast addition on the quality of naked oats craft beer
由图3可知，当酵母添加量在4%～6%范围内增加，酒精度及感官评分均逐渐升高；当酵母添加量为6%时，啤酒感官评分最高，为87.39分，此时酒精度为3.49%vol；当酵母添加量＞6%时，感官评分有所下降，而酒精度先升高后趋于稳定。综合考虑，确定最佳酵母添加量为6%。
2.1.4 主发酵温度的确定
啤酒发酵过程为变温发酵[26]，其中主发酵阶段决定了啤酒的发酵速度、代谢产物组成和啤酒的风味，是啤酒发酵中的重要阶段。主发酵温度对莜麦精酿啤酒品质的影响见图4。
图4 主发酵温度对莜麦精酿啤酒品质的影响
Fig.4 Effect of main fermentation temperature on the quality of naked oats craft beer
由图4可知，当主发酵温度在16～24 ℃范围内升高，酒精度逐渐升高，这是由于主发酵温度升高会促进酵母菌生长，进而提高酒精度。随着主发酵温度在16～20 ℃范围内升高，感官评分逐渐增加；当主发酵温度为20 ℃时，感官评分最高，为87.21分，此时酒精度为2.83%；当主发酵温度＞20 ℃时，感官评分有所下降。 综合考虑，确定最佳主发酵温度为20 ℃。
2.2 响应面试验结果与分析
2.2.1 Box-Behnken试验设计和模型拟合
在单因素试验结果的基础上，以莜麦添加量（A）、酒花添加量（B）、酵母添加量（C）、主发酵温度（D）作为自变量，以感官评分（Y）为响应值，Box-Behnken响应面试验设计及结果见表3，方差分析结果见表4。
表3 发酵工艺优化Box-Behnken试验设计及结果
Table 3 Design and results of Box-Behnken experiments for fermentation process optimization
序号 A B C D Y 感官评分/分1234567891 0 0001-00-1 10--1-1 10100-00001-11 12 13 14 15 16 110100-1100-1 00101001-1010--1 1110 100001100 100001 80.81 90.63 83.34 85.43 86.28 74.92 78.94 86.72 83.28 87.93 77.68 85.63 83.62 84.81 82.29 77.51
续表
序号 A B C D Y 感官评分/分17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 0001-1 00-1001--1 100-0000001 1010-100-1 1000-1 0-1 101000001-1 00-1 0-1 81.78 87.92 75.17 86.11 81.92 85.38 90.52 86.27 74.26 87.69 84.72 87.92 87.53
表4 回归模型方差分析
Table 4 Variance analysis of regression model
注：“**”表示对结果影响极显著（P＜0.01），“*”表示对结果影响显著（P＜0.05）。
方差来源 平方和 自由度 均方 F 值 P 值 显著性模型14 ABCDA B******AC AD BC BD CD A2 B2 C2 D2残差失拟项纯误差总离差530.88 19.46 0.014 4.30 77.27 2.71 6.18 38.69 1.88 71.06 32.66 33.92 16.72 20.02 267.81 23.10 17.51 5.58 553.98 111111111111111 4 22.99 11.79 0.008 5 2.60 46.84 1.64 3.74 23.45 1.14 43.08 19.80 20.56 10.13 12.13 162.33＜0.000 1 0.004 0 0.927 9 0.128 9＜0.000 1 0.221 1 0.073 5 0.000 3 0.304 2＜0.000 1 0.000 5 0.000 5 0.006 6 0.003 7＜0.000 1**************10 4 28 37.92 19.46 0.014 4.30 77.27 2.71 6.18 38.69 1.88 71.06 32.66 33.92 16.72 20.02 267.81 1.65 1.75 1.40 1.26 0.446 2不显著
通过Design-Expert 8.0.6软件对表3结果进行二次多项回归拟合，得到莜麦精酿啤酒对各因素间的回归方程为：
Y=88.98+1.27A+0.049 2B+0.515 0C-2.54D+0.822 5AB-1.24AC-3.11AD-0.435BC+4.21BD+2.86CD-2.40A2-1.85B2-2.00C2-6.54D2。
由表4可知，该模型极显著（P＜0.000 1），失拟项不显著（P＞0.05），说明模型可靠、有效，该模型决定系数R2=0.958 3，调整决定系数R2adj=0.916 6，表明回归模型可解释95.83%试验结果，模型拟合程度好。由P值可知，一次项A、D，交互项AD、BD、CD和二次项A2、B2、C2、D2对结果影响极显著（P＜0.01）；其他项均不显著（P＞0.05）。由F值可知，各因素对莜麦精酿啤酒感官评分的影响顺序依次为主发酵温度（D）＞莜麦添加量（A）＞酵母添加量（C）＞酒花添加量（B）。
2.2.2 各因素间交互作用分析
响应曲面及等高线能反映各因素对感官评分影响的程度和变化范围，响应曲面越陡，等高线趋于椭圆形，表明两因素间交互作用较大；反之，响应曲面越平缓，等高线趋于圆形，说明两因素之间交互作用较小[27]。各因素间交互作用对莜麦精酿啤酒感官评分影响的响应曲面和等高线见图5。由图5可知，酒花添加量（B）和主发酵温度（D），酵母添加量（C）和主发酵温度（D），莜麦添加量（A）和主发酵温度（D）交互作用的响应曲面陡峭，等高线为椭圆形，对感官评分影响极显著（P＜0.01），这与方差分析结果一致。
图5 各因素间交互作用对莜麦精酿啤酒感官评分影响的响应曲面和等高线
Fig.5 Response surface plots and contour lines of effect of interaction between various factors on sensory score of naked oats craft beer
2.2.3 验证试验
通过Design-Expert 8.0.6软件得出莜麦精酿啤酒的最佳发酵工艺条件为：莜麦添加量24.18%，酒花添加量0.34 g/L，酵母添加量5.93%，主发酵温度18.51 ℃。在此优化条件下，莜麦精酿啤酒感官评分预测值为89.97分。 为了便于实际操作，将最佳发酵工艺条件修正为：莜麦添加量24%，酒花添加量0.3 g/L，酵母添加量6%，主发酵温度19 ℃。在此条件下，经过3次验证试验，得到莜麦精酿啤酒感官评分实际值为91.23分，与预测值接近，表明该模型具有一定的实际应用价值。
2.3 莜麦精酿啤酒品质分析
莜麦精酿啤酒的理化指检测结果见表5。由表5可知，莜麦精酿啤酒原麦汁浓度为8.39°P，发酵度为79.23%，酒精度为2.82%vol，密度为1.0056g/cm3，总酸含量为2.13mL/100mL，双乙酰含量为0.1 mg/L，二氧化碳含量0.42%，泡持性为150 s，pH值为3.77，色度为11 EBC。 莜麦精酿啤酒理化指标均符合GB/T 4927—2008《啤酒》中淡色啤酒的一级品理化指标相关要求。
表5 莜麦精酿啤酒理化指标检测结果
Table 5 Determination result of physicochemical indexes of naked oats craft beer
项目 结果 GB/T 4927—2008《啤酒》原麦汁浓度/°P发酵度/%酒精度/%vol密度/（g·cm-3）总酸/（mL·100 mL-1）双乙酰/（mg·L-1）二氧化碳/%泡持性/s pH值色度/EBC 8.39 79.23 2.82 1.005 6 2.13 0.1 0.42 150 3.77 11__3.3（8.1°～10°P）_2.2（≤10°P）0.1 0.35～0.65 150_2～14
2.4 莜麦精酿啤酒与市售啤酒中氨基酸含量对比分析
氨基酸含量是衡量啤酒营养价值的重要指标之一，在自然酿造条件下，氨基酸含量越高啤酒营养价值越高。对莜麦精酿啤酒中的氨基酸种类及含量进行检测，并将其与部分市售啤酒[24]进行对比，结果见表6。
表6 莜麦精酿啤酒与市售啤酒中氨基酸含量对比分析
Table 6 Comparative analysis of amino acid contents between naked oats craft beer and commercially available beer
注：“*、**”分别表示必需氨基酸、条件必需氨基酸；“ND”表示未检出。
氨基酸 莜麦精酿啤酒/（ng·mL-1）市售鲜啤/（ng·mL-1）市售白啤/（ng·mL-1）市售黑啤/（ng·mL-1）苏氨酸（Thr）*异亮氨酸（IIe）*亮氨酸（Leu）*苯丙氨酸（Phe）*赖氨酸（Lys）*精氨酸（Arg）**半胱氨酸（Cys）**组氨酸（His）**天冬氨酸（Asp）丝氨酸（Ser）谷氨酸（Glu）甘氨酸（Gly）丙氨酸（Ala）脯氨酸（Pro）1.5 ND ND 1.6 5.3 3.1 ND 5.4 ND—13.3 ND ND 11.8 35 64 86 48 26 63 5.6 26 96 64 280 21 97 430 2.3 ND ND 4.1 20.9 20.3 ND 12.7 12.2 1.32 19.6 ND ND 18.4 0.7 ND ND ND 3.1 1.7 ND 3.6 6.3—1.4 ND ND 4.2
由表6可知，莜麦精酿啤酒中共检出14种氨基酸，包含必需氨基酸5种，分别是苏氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸，其含量分别为35 ng/mL、64 ng/mL、86 ng/mL、48 ng/mL、26 ng/mL，条件必需氨基酸3种，分别是精氨酸、半胱氨酸、组氨酸，其含量分别为63 ng/mL、5.6 ng/mL、26 ng/mL；非必须氨基酸6种，分别是天冬氨酸、丝氨酸、谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸、脯氨酸，其含量分别为96 ng/mL、64 ng/mL、280 ng/mL、21 ng/mL、97 ng/mL、430 ng/mL。必需氨基酸中，苏氨酸含量分别是市售鲜啤、市售白啤、市售黑啤的15.22倍、50倍、23.33倍，苯丙氨酸含量分别是市售鲜啤、市售黑啤的11.71倍、30倍，赖氨酸含量分别是市售鲜啤、市售白啤、市售黑啤的1.24倍、8.39倍、4.91倍；条件必需氨基酸中精氨酸含量分别是市售鲜啤、市售白啤、市售黑啤的3.10倍、37.11倍、20.32倍，组氨酸含量分别是市售鲜啤、市售白啤、市售黑啤的2.04倍、7.22倍、4.81倍；非必需氨基酸中，天冬氨酸含量分别是市售鲜啤、市售白啤的7.86倍、15.24倍，谷氨酸含量分别是市售鲜啤、市售白啤、市售黑啤的14.28倍、200倍、21.05倍，脯氨酸含量分别是市售鲜啤、市售白啤、市售黑啤的23.37倍、102.38倍、36.44倍。 此外，莜麦精酿啤酒还含有市售各类啤酒中未检测到的异亮氨酸、亮氨酸、半胱氨酸、丝氨酸、甘氨酸和丙氨酸。 与部分市售啤酒中氨基酸含量进行比较发现，氨基酸含量可能会受原料蛋白质含量的影响，而酒精度对其氨基酸含量影响不大[28]，莜麦中的蛋白质含量为所有谷物中最高，达到15.6%[3]。因此，莜麦精酿啤酒中氨基酸种类丰富，且含量较高，具有较高的营养价值。
3 结论
本研究以大麦芽、莜麦为主要原料制备莜麦精酿啤酒，采用单因素试验及响应面法优化得到其最佳发酵工艺条件为莜麦添加量24%，酒花添加量0.3 g/L，酵母添加量6%，主发酵温度19 ℃。在此优化条件下，莜麦精酿啤酒感官评分为91.23分，莜麦香气与麦芽香气、酒花香气协调，酒体丰满，泡沫细腻；其原麦汁浓度、发酵度、酒精度、密度、色度、pH值、泡持性分别为8.39°P、79.23%、2.82%vol、1.005 6 g/cm3、11 EBC、3.77、150 s；总酸、双乙酰及二氧化碳含量分别为2.13 mL/100 mL、0.1 mg/L、0.42%，其理化指标符合相关国家标准。 莜麦精酿啤酒中含有14种氨基酸，包含必需氨基酸5种，条件必需氨基酸3种，非必需氨基酸6种，氨基酸含量较高。 本研究拓宽了莜麦深加工的应用范围，提高了农产品的经济价值；丰富了精酿啤酒的种类，所得工艺可直接应用于小型精酿啤酒规模的生产，具有良好的应用前景。
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