浅谈啤酒工艺的麦汁充氧

浅谈啤酒工艺的麦汁充氧摘要：在阐述啤酒生产过程中，麦汁充氧的作用和机理，并依据生产工艺的要求，进行理论充氧量的计算。同时按照车间麦汁充氧的经验方法，进行麦汁充氧。跟踪相关阶段和相关时间的麦汁溶氧情况，以此与理论计算相对照，指导啤酒生产中的麦汁充氧工作。关键词：麦汁充氧影响因素酵母增殖一、冷麦汁的充氧的机理和作用现代糖化生产工艺要求麦汁在冷却之前进行严格避氧。在糖化麦汁生产的前期阶段要求在正常生产时，不允许打开人孔，减少醪液的氧化。麦汁在煮沸结束送入沉淀槽的过程几乎不含氧，同样不充氧的冷麦汁溶氧的含量也很低（见表1）表1冷却麦汁未充氧时的溶解氧含量麦汁批次麦汁温度（℃）溶解氧含量（ppm）取样点287批（进罐第一批）9.00.017冷却薄板后取样阀288批（进罐第二批）8.60.040289批（进罐第三批）8.70.024290批（进罐第四批）8.90.030291批（进罐第五批）8.60.022292批（进罐第六批）8.80.020平均值0.026酵母在繁殖的过程中需要氧气作为能源。在啤酒的发酵过程中，酵母的代谢过程包括有氧呼吸和厌氧发酵两个阶段。1、有氧酵解阶段，酵母进行有氧呼吸消耗发酵液中的营养物质，生成二氧化碳、水和大量的能量，作为生命活动和繁殖的重要过程。2、厌氧发酵阶段，酵母消耗糖进行无氧发酵产生酒精、二氧化碳和少量的能量。酵母的繁殖一般在有氧呼吸阶段，生产过程中添加到麦汁中的酵母量在（12～18）×106个/ml，按生产工艺要求，要保证旺盛的主发酵，必须使主发酵时期的酵母数达到60～80×106个/ml，这说明在主发酵开始阶段，酵母必须有一个迅速的增殖的阶段。而大罐中的麦汁成分已经定型，糖分和氮源一定，酵母的增殖取决于氧的供给。酵母细胞在增殖时，首先要在细胞壁内形成半透明的细胞膜，细胞必须依赖于氧原子与类脂的结合，形成甾醇最终才能产生新的酵母细胞。经充氧的冷却麦汁添加酵母后，酵母细胞会立即开始消耗氧气，而当麦汁中无氧时，甾醇的形成即告终止。只要有可发酵性浸出物，新酵母细胞的形成还有可能，但经2～3次厌氧发酵后，新酵母的产生就会彻底结束二、氧气在麦汁中的溶解的影响因素1、氧在麦汁中溶解受温度的影响。在不同温度下，压力为0.001MPa时，氧在水和麦汁中的饱和溶解度（见表2）。表2氧气饱和溶解度的对比温度（℃）水中（ppm）12％麦汁中（ppm）014.512.5512.710.51011.29.21510.08.1209.07.4902.3-2、氧在麦汁中溶解受麦汁浓度的影响麦汁浓度越高，氧饱和溶解量越低（见表3）表310℃，0.001MPa时，不同麦汁浓度与氧饱和溶解量麦汁浓度（％P）氧饱和溶解量（ppm）410.189.7129.2188.13、氧在麦汁中溶解受氧分压的影响。麦汁中氧的溶解量，符合亨利定律——“在一定的温度和压强下，一种气体在液体里的溶解度与该气体的平衡压强成正比”。氧在麦汁中的溶解度和麦汁氧分压成正比，和麦汁温度成反比。三、麦汁的充氧设备的原理和结构现在我部使用的麦汁充氧设备是：文丘里管。文丘里管，是一段截面不同的管子，由两端向中部缩小，其最小处称喉颈。麦汁流过时，由于管的截面缩小，流速增大而压力降低。喉颈处的流速最大，压力最小。此处通入无菌空气的支管，高速的麦汁就能将无菌空气吸入并冲散为细小的气泡，是气液相互密切接触，从而达到麦汁溶氧的目的。文丘里管典型结构图如下：以喉径为基准的雷诺数（Re准数）应在6×104以上大湍流时吸收效率才会高，Re＝ρvL／μ，ρ、μ为流体密度和粘度，v、L通道内平均流速和通道直径。其弱点：管道收缩喉径造型使麦汁输送流量受到影响，导致冷却时间延长，压力损失大。三、麦汁充氧量的控制及其理论计算生产工艺要求控制合适的麦汁充氧量。充氧量太低，不利于酵母的繁殖；充氧量太高，酵母繁殖过于旺盛，会形成多量的α一乙酰乳酸，而且会消耗大量的快速还原性物质，从而导致发酵后期双乙酰还原较慢，发酵副产物中含有多量的高级醇，使啤酒饮后有“上头”感觉。并且过高的充氧量，泡沫高度过高，会造成染菌和发酵罐溢泡的危险。根据生产实践经验，在2～3小时内用l～2批次糖化麦汁就可满罐，其充氧量达到半饱和状态即可，控制每批次糖化麦汁充氧量为5～6ppm如果是大容量的室外发酵罐，满罐时间为24小时左右时，我们一般只对进罐半数糖化批次的麦汁进行充氧，充氧量一般在8～12ppm。麦汁一进大罐就应立即开始充氧，因为太迟充氧会延长酵母生长的迟滞期，影响酵母的增殖。太迟充氧也会增加泡沫和双乙酰的形成，但对其他副产物几乎无影响。要避免各种问题的出现，在一定程度上，麦汁充氧量及时间取决于酵母品种、添加温度和添加量以及添加时间，氧气供给要与酵母添加次数相结合。氧气充入量与满罐高度有关，因大罐内静压可在0～0.2MPa变化。一般充氧量控制为麦汁体积：空气体积=10：1。a、在标准状态下，每22．4L空气中含1／5(体积量)的氧气，氧占体积为：22．4×0.2=4．48L其重量为：4.48×32/22.4=6.4g氧气。b、22．4L空气量为1mol空气．含氧量为：6.4g/32g/mol＝0.2mol氧气c、如每lL麦汁通人0.1L空气，则其氧气量为：0.1×6.4/22.4＝0.0286g/L=28.6mg氧气／L麦汁从表2中0℃时水中和麦汁中氧的饱和溶解度可知，上述计算值比实际值要大得多。要使麦汁充氧值达到8ppm时，即8mg／L÷32g／mol＝0.25mmol／L氧气，因22．4L空气含氧量为0.2mol．设氧气体积为V，则22．4：1=V：0.25V=0.25×22.4I故：8mg氧气=5.6ml氧气每L麦汁充氧时需空气量为：5．6ml×5=28ml假如糖化冷却速度为900hl／h，则充空气时其流量应为：900hl／h×28×10-3标准升空气/L麦汁=2520L／h=42L／min但由于氧气不能完全溶解．实际控制时应稍大于此流量值，一般取2800L／h。麦汁充氧理论值（流量计值）确定以后，它是与对应的空气供气压力相关的，一般此压力不应大于麦汁管道中输送压力0.05～0.10MPa，流量计读数值为最大流量值的百分数或实际值。假定所充入的氧均溶解入麦汁时，按上述方法可以计算出充氧量。四、依照实际生产经验进行麦汁充氧量的控制依据生产工艺的要求连续进罐的6批次麦汁，1、3、5批麦汁100％充氧，6批麦汁50％。麦汁充氧的操作：充氧压力：0.45～0.55Mpa；充氧量以时间为参照，100％充氧是麦汁冷却过程全时充氧，50％充氧（第六批麦汁）麦汁冷却过程全时的后1/2充氧（泵麦汁半小时后开始充氧）。1、充氧相关设备和各充氧批麦汁溶解氧（充氧口后测）含量对照见表4和表5。表4郑州公司麦汁输送、充氧设备技术参数设备名称设备参数麦汁冷却泵流量：160m3/h，扬程60m；麦汁管道直径104mmPALL空气滤芯孔径：一级1.2μm，二级0.2μm；耐压力0～0.6MPa发酵罐高度22m表5充氧批次充氧口后麦汁溶解氧含量对照麦汁批次麦汁温度（℃）麦汁流量（m3/h）充氧压力（Mpa）麦汁溶氧(ppm)2878.6900.449.02899.0900.509.52918.7840.509.72929.1840.559.8以上4批在充氧过程中充氧管道波尔过滤器前进气阀开度均为50％，波尔过滤器后的充氧阀门开度也均为50％。各批充氧过程阀门开度相同，随着发酵罐内发酵液的液位的升高，发酵液自身的静压逐渐增大使充氧麦汁流量降低、充氧压力逐渐增大，充氧后麦汁的含氧量随发酵罐发酵液静压的增大而逐渐增大。2、各充氧批次麦汁的进罐结束后发酵罐溶解的变化见表6表6各充氧批次麦汁的进罐结束后发酵罐溶解进罐结束麦汁批次发酵罐温度（℃）溶解氧(ppm)备注（进罐后）2879.75.4265min9.70.07220min2889.50.0530min2899.97.7310min8.90.02150min2908.90.0220min2919.26.6420min9.10.03200min2929.15.5610min不同时间段发酵罐溶解氧变化的曲线图见下图糖化冷麦汁充氧后进入发酵罐后，酵母开始利用氧进行新陈代谢和酵母细胞的繁殖，发酵罐麦汁进完后各批次的逐渐混合，各充氧麦汁进入罐后，发酵液溶氧达到0.6ppm左右，在进罐结束2小时时间内，发酵液的含氧量降至与不充氧麦汁的溶氧含量相差不到0.05ppm。麦汁在整个进罐过程中酵母处于有氧环境的时间约18小时左右。五、发酵液质量我部采用1、3、5批麦汁100％充氧，6批麦汁50％（泵麦汁半小时后开始充氧），发酵液酵母数峰值控制良好，一般在50～55×106，双乙酰还原周期控制在11～13天，发酵度控制在65～67％等指标均符合公司内控标准。六、总结和结论1、单批冷却麦汁的溶氧含量可用仪器直接在线测出，但对于进满发酵麦汁时间长的露天大罐来说测满罐溶解氧的意义不大。露天大罐，满罐时间较长，酵母接触氧时已经开始新陈代谢和繁殖，耗氧速度较快，整个满罐周期，随充氧批次麦汁的进罐而不断的升高和递减。控制露天大罐麦汁充氧量符合要求的判断依据，应以主发酵期酵母数峰值合理为准。2、冷却麦汁单批充氧以压力和时间进行充氧控制，偏差较大，因发酵罐内发酵麦汁自身的静压作用，造成同充氧压力条件下，冷麦汁氧的溶解量有差异。可根据发酵罐内发酵麦汁自身的静压作用，对不同批麦汁的吸氧情况进行统计分析，根据吸收比，用流量计控制充氧量最精确，不过流量计的价格昂贵，清洗杀菌困难。3、维雪集团所属分公司现在都采用文丘里管进行麦汁充氧控制，为达到一定的充氧量，如果靠感官（看充氧麦汁颜色）容易造成较大误差。我部认为在恒定充氧压力下，以充氧时间来界定50％较准确。