高粱属C4作物，具有光合作用强、生物学产量高、抗旱、耐盐碱、耐瘠薄等特性[1]，是中国北方重要的粮食作物和工业原料作物，在旱作农业生产中占有重要地位[2]。近年来，随着农业供给侧结构性改革的步伐加快，加之酿酒、饲用、制糖、造纸、制板和提炼酒精等用途越来越广泛，市场需求量不断增加，其种植面积呈扩大趋势[3-5]。高粱作为白酒酿造的重要原料，主要是籽粒中淀粉含量较高、蛋白质含量适中、脂肪含量较低，并且具有适量的单宁、灰分及粗纤维等物质[6]。因此，培育和筛选适于不同酿造工艺的优质高粱品种，对推进高粱专用化生产具有重要意义。
目前对酿酒高粱的研究国内外主要从品种的选育[7]、淀粉理化性质[8]、酿酒工艺[9-10]、微生物群落结构[11]等方面研究。蒋兰[12]对酿酒高粱淀粉含量以及淀粉理化性质进行深入的研究，主要通过对淀粉颗粒结构、糊化特性以及淀粉酶解力等方面进行分析研究，得出不同类型高粱淀粉在组成以及理化性质上存在较大差异。冯兴垚等[9]以三种不同酿酒高粱作为酿造原料进行蒸煮特性研究，发现不同类型高粱在不同蒸煮条件下最优的蒸煮参数不同。而针对于酿酒专用高粱品种籽粒组分含量、淀粉理化性质、高粱籽粒蒸煮品质以及酿造特性进行系统分析研究的报道甚少。高粱根据淀粉含量和组分的不同分粳性高粱和糯性高粱两种，籽粒中支链淀粉含量占总淀粉含量80%以下为粳性高粱，反之则为糯性高粱[13]。在白酒酿造过程中，由于高粱籽粒中物质组分含量不同以及不同类型高粱籽粒淀粉理化特性存在较大差异，也会产生不同的酿酒特性。同时，这些因素与白酒香型、风格、出酒率密切相关[8]。本试验选取6个酿酒专用高粱品种，采用凤香型白酒酿造工艺进行研究，通过对粳糯高粱品种籽粒组分含量、淀粉理化特性、蒸煮品质以及酿造特性进行分析，以期为优质高产酿酒高粱品种筛选提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
糯性高粱（晋糯3号、冀酿2号），粳性高粱（晋杂34、佳县高粱、吉杂127、辽杂19）：分别由山西省农业科学院、河北省农林科学院、吉林省农业科学院、辽宁省农业科学院提供。
直、支链淀粉标准品：北京索莱宝科技有限公司；氢氧化钠、无水乙醇、酚酞、硫酸、盐酸（均为分析纯）：洛阳昊华化学试剂有限公司；己酸丁酯标准品（纯度＞98%）：成都嘉叶生物科技有限公司；其他分析纯试剂：广东光华科技股份有限公司或国药集团化学试剂有限公司。
1.2 仪器与设备
DK-S26电热恒温水浴锅：上海精宏实验设备有限公司；ME204电子天平：梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；FW-100D高速万能粉碎机：天津鑫博得仪器有限公司；SF-TDL-5A台式低速离心机：上海菲恰尔分析仪器有限公司；Bluestar B紫外可见分光光度计：北京莱伯泰科仪器股份有限公司；K9860全自动凯氏定氮仪：济南海能仪器股份有限公司；S-4800场发射扫描电子显微镜：日本日立公司；Q2000差示扫描量热仪：美国Waters公司；D/max2200PC X射线衍射仪：日本东京理学公司。
1.3 试验方法
1.3.1 高粱籽粒物理性质
高粱籽粒外观颜色：直接用肉眼鉴别样品的颜色；容重测定参照食品安全国家标准GB/T 5498—2013《粮油检验》方法[14]；千粒质量测定参照食品安全国家标准GB/T 5519—2008《谷物与豆类千粒重的测定》方法[15]；水分测定参照食品安全国家标准GB 5009.3—2016《食品中水分的测定》方法[16]。
1.3.2 高粱籽粒组分含量分析
脂肪含量测定参照食品安全国家标准GB 5009.6—2016《食品中脂肪的测定》方法[17]；蛋白含量测定采用全自动凯氏定氮仪进行测定；单宁含量测定参照食品安全国家标准GB/T 15686—2008《单宁含量的测定》方法[18]；直链和支链淀粉含量测定参照GB 5009.9—2016食品安全国家标准《食品中淀粉的测定》方法[19]。
1.3.3 高粱籽粒蒸煮特性
参照何成等[20-21]的方法，对不同高粱籽粒进行蒸煮，并观察和测定蒸煮后籽粒黏度、吸水率、膨胀率。
1.3.4 高粱籽粒淀粉理化性质
高粱籽粒淀粉颗粒的扫描电子显微观察参照田晓红等[9]方法，通过S-4800型扫描电子显微镜进行观察并照相（10 kV）；高粱籽粒淀粉X-射线衍射参照刘培玲等[22]方法测定，采用X-射线衍射仪进行物相分析，用Origin 2017软件进行衍射图谱绘制；高粱籽粒淀粉的热特性采用差示扫描量热仪（differential scanning calorimetry，DSC），参照WHITE P J等[23-24]的方法进行测定。用十万分之一天平准确称量3.00 mg左右高粱淀粉放置在铝制坩埚中，以2∶1加去离子水，加盖后，用配套的底座密封，室温平衡2 h，以10 ℃/min的加热速率使铝制坩埚温度从20 ℃升高至110 ℃，用密封空白铝制坩埚作为对照，可得到淀粉的热特性曲线。
1.3.5 高粱酒出酒率的测定
酿造试验在陕西省西凤酒股份有限公司进行，采用凤香型白酒生产工艺流程，在现行“圆窖”工艺基础上，只改变高粱品种进行试验，分别在6个窖池同时进行。
投粮：每轮每个品种投粮900kg，大曲210kg，辅料225kg，入池温度：18～22 ℃（窖池内平均温度），入池水分：57%～61%（窖池内平均水分），高粱粉碎度：4～6瓣，大曲粉碎度：麦仁粒状，高粱清蒸0.5 h以上，辅料清蒸90 min以上。在西凤酒现行“圆窖”工艺下持续发酵时间为26 d，跟踪不同高粱品种的6个窖池。对不同高粱品种酒出酒率以及原酒样中香味物质进行测定，出酒率参照毛洪川等[25-26]方法测定：将窖池内的糟醅各自进行蒸馏取酒，摘取65%vol酒，出酒率计算公式如下：
1.3.6 原酒主要香味物质测定
采用液液微萃取与气相色谱-质谱联用（liquid-liquid microextraction with gas chromatography-mass spectrometry，LLME-GC-MS）对不同高粱原酒酒样中香味物质进行定量分析[27-29]。取18 mL酒精度为10%vol的稀释酒样，加入6 g氯化钠至饱和，6 μL内标己酸丁酯（5.85 mg/L），再加入1 mL重蒸乙醚对其进行萃取，充分振荡约3 min，待其静置分层后取1 μL已过滤的上层萃取剂进行GC-MS分析。
GC条件：进样口温度250 ℃，载气为高纯度氦气（He），流速2 mL/min，不分流进样；升温程序：初温为50 ℃，保持温度不变2 min，以6 ℃/min升温至230 ℃，保持15 min。MS条件：电子电离源（electron ionization，EI）；电子能量70 eV；传输线温度230 ℃；离子源温度250 ℃；扫描范围：30～350 u。挥发性成分的鉴定采用以下方法：首先将化合物的质谱图与美国国家标准技术研究所（national institute of standards and technology，NIST）08标准数据库（美国Agilent公司化学工作站内置）中的标准图谱进行比对，匹配度＞800（最大值1 000），作为初步定性结果。进一步根据校准曲线，根据化合物的峰面积相对于内标物的峰面积之比计算化合物的浓度，具体操作参考文献[30]。
2 结果与分析
2.1 粳糯高粱籽粒物理参数分析
粳糯高粱籽粒的物理参数见表1。由表1可知，糯性高粱在籽粒外观颜色上均为红褐色，而粳性高粱籽粒颜色较浅。除晋杂34外，粳性高粱籽粒千粒质量总体大于糯性高粱。辽杂19籽粒容重最大，为787 g/L，晋杂34籽粒容重最小，为721 g/L，冀酿2号、佳县高粱和晋糯3号籽粒容重无显著差异。糯性高粱冀酿2号与四种粳性高粱籽粒含水量有显著差异（P＜0.05），但晋糯3号与晋杂34和辽杂19无显著差异（P＞0.05）。目前酿酒企业普遍要求高粱籽粒含水量要在13%以下，容重在730 g/L以上，有利于原料贮藏加工利用[31]。除晋杂34号外，其他高粱均符合要求。
表1 粳糯高粱籽粒的物理参数
Table 1 Physical parameters of japonica sorghum and glutinous sorghum grains
注：同列数值标注不同字母表示差异达到显著水平（P＜0.05），相同字母表示差异不显著（P＞0.05）。下同。
2.2 粳糯高粱籽粒化学组分含量分析
粳糯高粱籽粒化学组分含量见表2。由表2可知，佳县高粱籽粒总淀粉含量最高，为77.42%；晋糯3号籽粒总淀粉含量最低，为72.63%。糯性高粱冀酿2号支链淀粉含量最高，为69.84%；吉杂127支链淀粉含量最低，为48.08%。晋糯3号、冀酿2号高粱籽粒中支链淀粉占总淀粉含量均＞80%，分别为86.93%、93.7%；其余均在80%以下。糯性高粱籽粒脂肪含量均高于粳性高粱，其中，冀酿2号脂肪含量最高，为4.02%；辽杂19最低，为2.98%。辽杂19蛋白质含量最高，为8.91%；佳县高粱蛋白质含量最低，为6.24%。佳县高粱单宁含量最高，为1.22%；晋糯3号单宁含量最低，为0.64%。
表2 粳糯高粱籽粒化学组分含量
Table 2 Contents of chemical components of japonica sorghum and glutinous sorghum grains
一般按照酿造高粱原料要求，高粱籽粒中脂肪含量不应超过4%，脂肪含量的高低对于酒的品质影响较大[32]。蛋白质含量过多会导致发酵过程中酸类物质的大量积累，从而改变发酵条件，影响酒的品质[33]。单宁含量一般在0.5%～1.5%时，高粱酒的风味更好，当含量超过3%时，酒的口感变差[8]。综上，佳县高粱总淀粉显著高于其他品种，蛋白质含量显著低于其他品种，其脂肪和单宁含量均在适宜范围之内，是较为适宜的酿酒高粱品种。
2.3 粳糯高粱籽粒蒸煮特性分析
由表3可知，晋杂34漂浮颗粒最多，冀酿2号漂浮颗粒最少，其余均在20粒左右。冀酿2号吸水率和膨胀率均为最大，分别为209.26%、225.49%；辽杂19吸水率和膨胀率均为最小，分别为130.31%、152.08%；6种酿造高粱品种的吸水率和膨胀率之间呈正相关。除佳县高粱外，其余糯性高粱的吸水率和膨胀率均大于粳性高粱。糯性高粱蒸煮后较为黏稠，粳性高粱蒸煮后籽粒松散并成颗粒状，但在粳性高粱中佳县高粱却表现为较黏稠，黏度介于糯性高粱和粳性高粱之间。结果显示，蒸煮后的糯性冀酿2号和粳性佳县高粱均表现出良好的酿造特性。
表3 粳糯高粱籽粒蒸煮特性
Table 3 Cooking characteristics of japonica sorghum and glutinous sorghum grains
续表
2.4 粳糯高粱籽粒淀粉理化性质
2.4.1 淀粉微观结构
研究表明，籽粒淀粉微观结构分析是籽粒淀粉理化性质研究的重要组成部分，籽粒淀粉颗粒与蛋白结构紧密程度直接影响着籽粒淀粉分离难易，其次籽粒淀粉颗粒内部结构形态也对淀粉的理化性质有影响[34]。粳糯高粱籽粒淀粉颗粒微观结构见图1。由图1可知，6种酿造高粱籽粒淀粉颗粒基本为不规则体，颗粒较大，表面凹陷；部分颗粒表面有类蜂窝状结构；少数为椭圆体，颗粒较小，表面光滑。糯性高粱和佳县高粱籽粒淀粉颗粒表面不光滑，颗粒表面有皱缩，其中晋糯3号高粱籽粒淀粉颗粒表面开裂；粳性高粱籽粒淀粉颗粒表面较为圆滑，但佳县高粱籽粒淀粉颗粒表面有明显的皱缩；冀酿2号、晋杂34和辽杂19高粱籽粒淀粉颗粒表面有类蜂窝状结构。6种酿造高粱籽粒淀粉颗粒粒径在5～23 μm之间。
图1 粳糯高粱籽粒淀粉颗粒微观结构图
Fig.1 Microstructure of japonica sorghum and glutinous sorghum grains
2.4.2 淀粉的热特性
粳糯高粱籽粒淀粉的差示扫描量热法结果见表4。由表4可知，两种糯性高粱籽粒淀粉浆的起始糊化温度分别为75.74 ℃、76.11 ℃，终止温度为87.47 ℃、88.51 ℃，焓变为13.38 J/g、13.68 J/g；粳性高粱籽粒淀粉浆的起始糊化温度为68.04～70.22 ℃，终止温度为77.70～82.12 ℃，热焓值为5.94～8.21 J/g；糯性高粱籽粒淀粉浆起始温度、终止温度、热焓值均高于粳性高粱，且粳糯高粱之间存在显著性差异（P＜0.05）。表明糯性高粱籽粒淀粉的结构比粳性高粱更加紧密有序，更容易糊化，所需的热量也较高[35-36]。
表4 粳糯高粱籽粒淀粉的差示扫描量热法结果
Table 4 Differential scanning calorimetry results of japonica sorghum and glutinous sorghum grains
2.4.3 淀粉的X-射线衍射
如图2所示，粳糯高粱籽粒淀粉晶体结构型均为A型，它们高粱籽粒淀粉衍射角2θ分别在15.0°、17.1°、17.9°及23.0°有吸收峰；而且在衍射角2θ为20.0°处，糯性高粱籽粒比粳性高粱籽粒淀粉吸收峰弱，这可能是由于糯性高粱中直链淀粉含量较低所引起的[37]。
图2 粳糯高粱籽粒淀粉X-射线衍射图
Fig.2 X-ray diffraction pattern of japonica sorghum and glutinous sorghum grains
2.5 粳糯高粱出酒率对比
影响白酒出酒率的因素较多，一般来说出酒率与高粱淀粉含量成正相关，高粱籽粒中淀粉含量越多，出酒率越高[38]；但单宁含量过多会影响发酵过程中微生物的活性，抑制发酵过程的进行，以及不同的生产工艺也会造成白酒出酒率的差异[32]。粳糯高粱出酒率对比结果见图3。由图3可知，粳性佳县高粱出酒率最高，为41.61%，但佳县高粱与晋糯3号出酒率无显著差异（P＞0.05）；粳性吉杂127出酒率最低，为35.94%，吉杂127与冀酿2号出酒率无显著差异。
图3 粳糯高粱出酒率对比结果
Fig.3 Comparison results of liquor yield of japonica sorghum and glutinous sorghum
2.6 粳糯高粱原酒主要香味物质分析
粳糯高粱原酒主要香味物质含量测定结果见表5。由表5可知，糯性高粱酒中主要物质乙酸乙酯、己酸乙酯、乳酸乙酯、正丙醇、正丁醇、异戊醇含量分别为85.86～109.23mg/100mL、42.18～43.74 mg/100 mL、193.89～218.13 mg/100 mL、26.06～35.77 mg/100 mL、22.95～27.62 mg/100 mL、33.42～38.08 mg/100 mL；粳性高粱酒中乙酸乙酯、己酸乙酯、乳酸乙酯、正丙醇、正丁醇、异戊醇含量分别为151.14～229.29mg/100mL、69.94～84.66 mg/100 mL、146.00～227.98 mg/100 mL、35.75～54.53 mg/100 mL、18.73～37.25 mg/100 mL、41.97～48.37 mg/100 mL。
表5 粳糯高粱原酒主要香味物质含量
Table 5 Main flavor contents of liquor made from japonica sorghum and glutinous sorghum mg/100 mL
粳性高粱酒中的乙酸乙酯、己酸乙酯和丁酸乙酯含量均高于糯性高粱酒中的含量。其中冀酿2号高粱酒中的乙酸乙酯含量最少，而佳县高粱酒中乙酸乙酯的含量最高，乳酸乙酯含量最少；辽杂19高粱酒中己酸乙酯、乳酸乙酯和丁酸乙酯含量均最高。在佳县高粱酿酒香味成分中，乙酸乙酯含量占总酯含量的一半，其次，佳县高粱酒中乳酸乙酯含量占己酸乙酯的一半，适量的乳酸乙酯有益于白酒的风格，而过量的乳酸乙酯会引起白酒的涩味并降低其质量[39-40]。粳性高粱酒中异丁醇、仲丁醇和异戊醇含量均高于糯性高粱。其中，冀酿2号高粱酒中正丙醇、异丁醇、仲丁醇和异戊醇含量均为最低；佳县高粱酒中仲丁醇含量最高，正丁醇含量最低；辽杂19高粱酒中正丁醇、异丁醇和异戊醇含量均为最高。醇类化合物在酒成分中有着重要的作用，不同成分的醇类化合物会形成不同香气的白酒风格，尤其是高级醇的含量过高会直接影响酒的口感和香味，导致酒的品质下降[41]。
综合分析表明，在相同的酿造工艺条件下，佳县高粱符合西凤酒的特性，为凤香型酒主要风味特征。糯性高粱中支链淀粉含量丰富，但其更易于溶胀和糊化，因此，糯性高粱更适合于酿造浓香型和酱香型白酒。
3 结论
通过对粳糯高粱籽粒理化性质、籽粒淀粉性质、出酒率以及原酒酒样中主要风味物质进行分析发现，粳糯高粱籽粒化学组成含量、蒸煮特性、籽粒淀粉理化性质以及酿造特性存在一定差异。其中粳性佳县高粱籽粒的总淀粉和单宁含量最高，分别为77.42%、1.22%；其高粱酒中乙酸乙酯的含量最高，为229.29 mg/100 mL；出酒率也最高，为41.61%，较适合于西凤酒的酿造。糯性高粱冀酿2号支链淀粉、脂肪含量最高，分别为69.84%、4.02%；其籽粒吸水率和膨胀率均最大，分别为209.26%、225.49%；冀酿2号高粱淀粉热焓值最大，为13.68 J/g，可能更适合于酱香型和浓香型白酒的酿造。辽杂19蛋白质含量最高，为8.91%，其高粱酒中己酸乙酯、乳酸乙酯、丁酸乙酯、异丁醇和异戊醇含量均最高，分别为84.66 mg/100 mL、227.98 mg/100 mL、8.49 mg/100 mL、15.23 mg/100 mL、48.37 mg/100 mL，可能更适合于浓香型白酒的酿造。
在白酒酿造过程中，由于原料品种之间存在较大的差异以及酿造工艺的不同，直接影响着白酒的品质和产量，所以在酿造原料的选择方面，应该结合自身的实际情况因地制宜，选择合适的酿酒原料。目前，酿酒行业对酿酒高粱品质没有统一的量化标准，好的原料是酿造好酒的基础，不同类型高粱品种在酿酒品质以及工艺参数方面也存在较大差异，对于不同风味的白酒原料的选择以及工艺参数的改进还需要进一步研究。
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