濃香型大曲糖化動力學(xué)研究

任 飛 張曉宇

（1.西南科技大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)研究所，四川 綿陽 621010；2.江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇 無錫 214122）

以瀘州老窖為代表的濃香型大曲酒是以己酸乙酯為主體香味成分，其風(fēng)格特征：窖香濃郁，綿甜爽凈，回味悠長［1］。幾十年來，濃香型大曲酒深受廣大消費(fèi)者的喜愛。濃香型大曲含有多種微生物產(chǎn)生的多種酶類，是濃香型大曲酒生產(chǎn)的糖化劑、發(fā)酵劑和生香劑，其品質(zhì)對曲酒的出酒率和酒質(zhì)都有很大的影響，所以有“曲是酒之骨”的說法［2］。濃香型大曲酒的釀造是在中溫（或中溫偏高溫）大曲的作用下，進(jìn)行“雙邊”發(fā)酵——邊糖化邊發(fā)酵。在大曲酒的發(fā)酵過程中，濃香型大曲的作用如下：①為大曲酒的入窖糟醅中原料的分解提供酶類：液化酶類、糖化酶類、蛋白酶類、脂肪酶類，等等；②為大曲酒的發(fā)酵提供主要菌種來源，如霉菌、酵母菌、細(xì)菌等；③是大曲酒中一些香味物質(zhì)及香味前體物質(zhì)的來源；④大曲中淀粉含量高達(dá)57%左右，可以為大曲酒的發(fā)酵提供一部分發(fā)酵原料［3］。濃香型大曲中的糖化酶類主要源于微生物在制曲過程中新陳代謝作用，糖化酶類在大曲酒生產(chǎn)的邊糖化邊發(fā)酵過程中起著重要作用。在本試驗中通過測定大曲的糖化酶類的糖化動力學(xué)，研究不同反應(yīng)條件（底物濃度、酶用量、溫度、pH）對大曲糖化反應(yīng)速率的影響，為濃香型大曲酒的生產(chǎn)工藝控制提供理論的參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大曲：來自于四川濃香型大曲酒生產(chǎn)廠家。

乙酸鈉、乙酸、硫酸銅、酒石酸鉀鈉、亞鐵氰化鉀、氫氧化鈉、葡萄糖、濃鹽酸、磷酸氫二鈉、檸檬酸：均為分析純，國藥集團(tuán)上海化學(xué)試劑有限公司。

試驗用水：均為純凈水。

1.2 儀器與設(shè)備

數(shù)字酸度計：PHS－25，上海雷磁儀器廠；

電子分析天平：BSA124S，德國Sartorius公司；

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：DGF3006A，重慶銀河試驗儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 可溶性淀粉溶液的制備 準(zhǔn)確稱取可溶性淀粉，加少量水調(diào)勻，加入沸水中，繼續(xù)煮沸至透明，冷卻后用水定容，制得試驗所需的淀粉溶液。使用時根據(jù)需要稀釋成不同濃度的淀粉溶液。

1.3.2 5%大曲浸出液的制備 5.0g大曲（以絕干曲計），加入90mL水和10mL乙酸－乙酸鈉緩沖溶液，攪勻，于30 ℃水浴中保溫浸取1h，每隔15min攪拌1次。用脫脂棉過濾，濾液為5%大曲浸出液（酶液），取上清液置于冰水浴中待用。使用前5min將所需量的大曲浸出液取出，裝入干凈的試管中置于糖化反應(yīng)所需溫度的水浴中，使其達(dá)到需要的溫度。

1.3.3 緩沖液的制備 為了測定pH 值對大曲糖化力的影響，需配制pH 值為3.0，4.0，5.0，6.0，7.0，8.0的磷酸氫二鈉－檸檬酸緩沖液［4］。

1.3.4 還原糖含量的測定 斐林試劑法［5］。

1.3.5 糖化反應(yīng)速率的計算 因為在中溫發(fā)酵時，反應(yīng)溫度常控制在30 ℃左右。在本試驗中，除研究溫度對酶反應(yīng)的影響外，反應(yīng)溫度均控制在30 ℃。根據(jù)要求改變底物（可溶性淀粉）濃度、酶濃度（酶液用量）、糖化反應(yīng)的pH 值、反應(yīng)溫度，進(jìn)行試驗，糖化反應(yīng)時間均為5 min，糖化反應(yīng)結(jié)束時用0.1mol／L的NaOH（注：測定pH 對糖化反應(yīng)速率的影響時用0.2mol／L的NaOH）溶液15 mL 終止反應(yīng)，定容至50mL，取5mL反應(yīng)液用斐林試劑法測定反應(yīng)液中還原糖的含量。同時做空白對照，糖化反應(yīng)速率按式（1）計算：

式中：

V—— 糖化反應(yīng)速率，mg／（mL·min）；

V1——5mL 糖化液消耗0.1% 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL；

V0—— 空白對照消耗的消耗的0.1% 標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖溶液的體積，mL；

C —— 標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖溶液的濃度，mg／mL。

2 結(jié)果與討論

2.1 底物濃度對大曲糖化速率的影響

以不同濃度的可溶性淀粉作為底物，大曲浸出液用量5mL，反應(yīng)溫度30 ℃，準(zhǔn)確反應(yīng)5 min后，加入0.1 mol／L的NaOH 溶液15mL，終止反應(yīng)，定容至50 mL。研究底物濃度變化對大曲糖化反應(yīng)初速率的影響，試驗結(jié)果見圖1。

圖1 底物濃度對糖化反應(yīng)速率的影響Figure 1 Effect of substrate on initial rate of saccharification

大曲糖化反應(yīng)是大曲中含有的多種糖化酶共同參與的結(jié)果。由圖1可知，反應(yīng)速率V 對［S］呈典型的雙曲線關(guān)系符合經(jīng)典的表征酶促反應(yīng)特征的米氏方程的曲線形狀。因此，可將本試驗測得的數(shù)據(jù)與米氏方程進(jìn)行擬合，用Excel 2003軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以1／V ～1／［S］作圖，得到如圖2所示的直線。由回歸方程：

可 求 出Vmax＝0.148 0 mg／（mL· min），Km＝25.935 7mg／mL，所以大曲糖化反應(yīng)的動力學(xué)方程為

圖2 Lineweaver－Burk雙倒數(shù)作圖法Figure 2 Lineweaver－Burk plot of initial rate of saccharification with substrate concentration

2.2 酶用量對反應(yīng)速率的影響

底物濃度為15mg／mL，反應(yīng)溫度為30 ℃，pH 為4.6，糖化酶用量對大曲糖化反應(yīng)速率的影響見圖3。由圖3 可知，酶用量與糖化反應(yīng)速率呈線性關(guān)系。當(dāng)?shù)孜餄舛缺让笣舛却蠛芏啵矗跾］＞＞［E］，因此被酶結(jié)合的S 量，亦即［ES］，它與總的底物濃度相比，可以忽略不計。根據(jù)酶反應(yīng)的中間復(fù)合物學(xué)說［6］得出式（4）：

上述兩步反應(yīng)都是可逆的，它們的正反應(yīng)與逆反應(yīng)的速率常數(shù)分別為k1、k2、k3、k4，可以推導(dǎo)得出：

圖3 酶用量對糖化速率的影響Figure 3 Effect of enzyme concentration on initial rate of saccharification

式（5）表明酶反應(yīng)體系中反應(yīng)速率V 與酶濃度［E］呈正比，與試驗結(jié)果相符。

在濃香型大曲酒的生產(chǎn)中，可以通過大曲的用量來控制糖化反應(yīng)速率，夏季氣溫較高，要使大曲酒的發(fā)酵過程符合“前緩、中挺、后緩落”，必須減少用曲量，一般情況下，夏季的用曲量為投糧量的18%，冬季用曲量為投糧量的21%［6，7］。

2.3 pH 對糖化速率的影響

底物濃度為15mg／mL，糖化反應(yīng)的溫度為30 ℃，酶用量為5mL，利用5mL磷酸氫二鈉－檸檬酸緩沖液調(diào)劑反應(yīng)體系的pH 值，研究在不同的pH 條件下大曲糖化反應(yīng)速率，反應(yīng)結(jié)束時，用0.2mol／L 的NaOH 溶液終止反應(yīng)，試驗結(jié)果見圖4。由圖4可知，當(dāng)pH 值在3.0～6.0時，糖化反應(yīng)速率隨pH 值的升高而逐漸增加；當(dāng)pH 值在6.0～8.0時，糖化反應(yīng)速率隨pH 的升高而逐漸降低；因此，濃香型大曲糖化酶的最適pH 為6.0。

圖4 pH 對大曲糖化反應(yīng)速率的影響Figure 4 Effect of pH on the initial rate of saccharification

在釀造濃香型大曲酒的過程中，控制入窖糟醅的pH 可以控制糖化反應(yīng)的速率，有利影響有3個方面：①過酸或過堿可導(dǎo)致酶活性的喪失，空間結(jié)構(gòu)被破壞；②當(dāng)pH 值的改變不太劇烈時，酶雖未變性，活力可能受到影響；③pH 可影響維持酶分子的空間結(jié)構(gòu)有關(guān)基團(tuán)的解離，進(jìn)而影響酶活性部位的構(gòu)象，酶的活性可能受到影響［8］。

由圖4可知，大曲糖化反應(yīng)速率與pH 呈鐘罩形曲線，表明pH 對大曲中糖化酶類的糖化反應(yīng)的影響與對單一糖化酶的影響類似。“雙邊發(fā)酵”順利地進(jìn)行，可以提高大曲酒的質(zhì)量和產(chǎn)量。

2.4 溫度對大曲糖化速率的影響

溫度是影響酶活性的重要因素，研究酶的最適溫度，在工業(yè)生產(chǎn)中有重要的意義［9］。底物濃度為15 mg／mL，pH為4.6，酶液用量為5mL，在不同的溫度條件下測定大曲的糖化反應(yīng)速率，溫度對大曲糖化反應(yīng)速率的影響見圖5。

由圖5可知，在10～50 ℃時，大曲的糖化反應(yīng)速率隨著溫度的升高而增加。這是因為當(dāng)溫度升高時，酶催化反應(yīng)與一般化學(xué)反應(yīng)一樣，反應(yīng)速率加快［8］。在通常情況下，窖池內(nèi)糟醅的發(fā)酵溫度最高不會超過40 ℃。在這一溫度范圍之內(nèi)，大曲的糖化反應(yīng)速率隨著溫度的升高而增加。酵母菌在高溫下過早衰亡，使得發(fā)酵無法徹底地進(jìn)行下去，到發(fā)酵中期，發(fā)酵相當(dāng)微弱，所以導(dǎo)致了出酒率的下降［6］。濃香型大曲酒傳統(tǒng)的入窖溫度是“熱平地溫冷13 ℃”，也就是控制較低的溫度入窖發(fā)酵，控制“低溫緩慢發(fā)酵”，做到“前緩、中挺、后緩落”。夏季氣溫較高應(yīng)調(diào)整作息時間，利用氣溫較低的夜間和早晨進(jìn)行生產(chǎn)，盡量避免在氣溫較高的中午進(jìn)行生產(chǎn)，來減慢糖化反應(yīng)的速率［10，11］。由表1可知，溫度對大曲糖化反應(yīng)速率有較大的影響，濃香型大曲糖化反應(yīng)速率是溫度的函數(shù)。

圖5 溫度對大曲糖化反應(yīng)初速率的影響Figure 5 Effect of temperature on the initial rate of saccharification

表1 不同溫度下的糖化反應(yīng)速度Table 1 Initial rate of saccharification in different temperature

將表1中的試驗數(shù)據(jù)，以lnV－1／T 作圖，可得如圖6所示的直線，R2＝0.988 1，說明用阿侖尼烏斯方程擬合本試驗數(shù)據(jù)是高度顯著的，表明糖化反應(yīng)速度隨溫度的變化服從阿累尼烏斯（Arrhenius）方程：

式中：

A—— 指前因子；

E—— 活化能，J／mol；

R—— 通用氣體常數(shù)，8.314J／（mol·K）；

T—— 開氏溫度，K。

可求出：指前因子A ＝6.21×105mg／（mL·min），活化能E ＝40.966kJ／mol；與鐘穗生等［12］報道的馬鈴薯淀粉糖化反應(yīng)的活化能E ＝41.165kJ／mol比較接近。

圖6 lnv 與1 000／T 的關(guān)系圖Figure 6 Relationship of lnv with 1 000／T

3 結(jié)論

濃香型大曲作為濃香型大曲酒生產(chǎn)的糖化發(fā)酵劑，含有由多種微生物產(chǎn)生的多種糖化酶。用5%濃香型大曲浸出液水解可溶性淀粉，在pH 4.6、30 ℃的條件下，濃香型大曲糖化酶的米氏方程為V ＝0.148 0［S］／（25.935 75＋［S］）；糖化反應(yīng)的最適pH 值為6.0；在不同溫度下測定糖化反應(yīng)速率，計算得到活化能E 為40.966kJ／mol。濃香型大曲糖化酶類的糖化反應(yīng)動力學(xué)與單一酶相似，這可能是因為酶具有專一性，以淀粉為底物時，只有糖化酶類起作用。通過控制淀粉濃度（投糧量）、用曲量、入窖酸度和溫度可以使?jié)庀阈痛笄频奶腔l(fā)酵過程協(xié)調(diào)進(jìn)行，以提高濃香型大曲酒的產(chǎn)量和質(zhì)量。

1 辛磊.白酒微量成分與酒體風(fēng)格特征關(guān)系的探討［J］.食品與機(jī)械，2004（2）：49～50.

2 范文來，徐巖.大曲酶系研究的回顧與展望［J］.釀酒，2000（3）：35～40.

3 章克昌.酒精與蒸餾酒工藝學(xué)［M］.北京：中國輕工業(yè)出版社，1995.

4 王秀奇，秦淑媛，高天慧，等.基礎(chǔ)生物化學(xué)實驗［M］.第2版.北京：高等教育出版社，1996：275～276.

5 天津輕工業(yè)學(xué)院.工業(yè)發(fā)酵分析［M］.北京：中國輕工業(yè)出版社，1979：18～20.

6 李大和，李國紅，李國林.淺談濃香型大曲酒入窖發(fā)酵條件與產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)系［J］.釀酒，2002，29（5）：20～24.

7 任飛，邱聲強(qiáng)，韓珍瓊.濃香型大曲酒生產(chǎn)的安全度夏［J］.中國釀造，2011（8）：164～166.

8 王鏡巖，朱圣庚，徐長法.生物化學(xué)（上冊）［M］.第3版.北京：高等教育出版社，2002.

9 楊光宇，牟德華，趙廣西，等.趙州雪花梨多酚氧化酶酶學(xué)特性研究［J］.食品與機(jī)械，2010，26（5）：10～12.

10 劉洪振，王中林，劉社鋒，等.夏末秋初濃香型大曲酒生產(chǎn)轉(zhuǎn)排的經(jīng)驗總結(jié)［J］.釀酒科技，1995（3）：21～22.

11 李大和，李國紅.濃香型曲酒釀造生產(chǎn)工藝要素（四）［J］.釀酒，2011，38（1）：81～87.

12 鐘穗生，劉生玉，張林香.馬鈴薯淀粉糖化動力學(xué)的研究［J］.中國糧油學(xué)報，1998，13（2）：21～25.