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第四章啤酒生产技术一、啤酒发酵的基本理论啤酒发酵是在啤酒酵母体内所含的一系列酶类的作用下，以麦芽汁所含的可发酵性营养物质为底物而进行的一系列生物化学反应。通过新陈代谢得到一定量的酵母菌体和乙醇、CO2以及少量的代谢副产物如高级醇、酯类、连二酮类、醛类、酸类和含硫化合物等发酵产物。这些发酵产物影响到啤酒的风味、泡沫性能、色泽、非生物稳定性等理化指标，并形成了啤酒的典型性。啤酒发酵主发酵后熟进行酵母的适当繁殖和大部分可发酵性糖的分解，同时形成主要的代谢产物乙醇和高级醇、醛类、双乙酰及其前驱物质等代谢副产物。主要进行双乙酰的还原，它使酒成熟、完成残糖的继续发酵和CO2的饱和，使啤酒口味清爽，并促进了啤酒的澄清。1.发酵过程的物质变化（1）糖类的发酵麦芽汁中的可发酵性糖：葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、麦芽三糖和棉子糖非发酵性糖：麦芽四糖以上的寡糖、戊糖、异麦芽糖等啤酒酵母对糖的发酵顺序为：葡萄糖果糖蔗糖麦芽糖麦芽三糖（2）含氮物质的转化麦芽汁中的α-氨基氮含量和氨基酸组成对酵母和啤酒发酵有重要影响，酵母的生长和繁殖需要吸收麦芽汁中的氨基酸、短肽、氨、嘌呤、嘧啶等可同化性含氮物质。啤酒发酵过程中，含氮物质约下降1/3左右，主要是部分低分子氮（α-氨基氮）被酵母同化用于合成酵母细胞，另外有部分蛋白质由于pH和温度的下降而沉淀，少量蛋白质被酵母细胞吸附。发酵后期，酵母细胞向发酵液分泌多余的氨基酸，使酵母衰老和死亡，死细胞中的蛋白酶被活化后，分解细胞蛋白质形成多肽，通过被适当消解的细胞壁进入发酵液，此现象称为酵母自溶，其对啤酒风味有较大影响，会造成“酵母臭”。（3）其他变化在发酵过程中，麦芽汁的含氧量越高，酵母的繁殖越旺盛，酵母表面以及泡盖中吸附的苦味物质就越多。大约有30%~40%的苦味物质在发酵过程中损失。另外，啤酒的色度随着发酵液pH的下降，溶于麦芽汁中的色素物质被凝固析出，单宁与蛋白质的复合物以及酒花树脂等吸附于泡盖、冷凝固物或酵母细胞表面，使啤酒的色度也有所下降。此外，啤酒酵母在整个代谢过程中，将不断产生CO2，一部分以吸附、溶解和化合状态存在于酒液当中，另一部分CO2被回收或逸出罐外，最终成品啤酒的CO2质量分数为0.5%左右。从总体来看，CO2在酒液中的产生、饱和及逸出等变化，对提高啤酒质量具有重要作用。发酵产物乙醇连二酮高级醇酯类醛类酸类22.1发酵主产物—乙醇的合成途径麦芽汁中可发酵性糖主要是麦芽糖，还有少量的葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽三糖等。单糖可直接被酵母吸收而转化为乙醇，寡糖则需要分解为单糖后才能被发酵。由麦芽糖生物合成乙醇的生物途径为总反应式1/2C12H22O12+1/2H2O→C6H12O6+2ADP+2Pi→麦芽糖葡萄糖2C2H5OH+2CO2+2ATP+226.09kJ乙醇理论上每100g葡萄糖发酵后可以生成51.14g乙醇和48.86gCO2。实际上只有96%的糖发酵为乙醇和CO2，2.5%生成其他代谢副产物，1.5%用于合成菌体。17992麦芽汁中可发酵性糖主要是麦芽糖，还有少量的葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽三糖等。单糖可直接被酵母吸收而转化为乙醇，寡糖则需要分解为单糖后才能被发酵。由麦芽糖生物合成乙醇的生物途径为总反应式1/2C12H22O12+1/2H2O→C6H12O6+2ADP+2Pi→麦芽糖葡萄糖2C2H5OH+2CO2+2ATP+226.09kJ乙醇糖酵解丙酮酸的氧化脱羧（1）丙酮酸脱羧生成乙醛丙酮酸经丙酮酸脱羧酶的催化，脱去CO2，生成乙醛。反应中需要焦磷酸硫胺（TPP）为辅酶，并需Mg2+激活。此反应为不可逆反应。丙酮酸丙酮酸脱氢酶𝑻𝑻𝑻，𝑴𝑴𝟐+→乙醛+CO2（2）乙醛还原生成乙醇乙醛通过乙醇脱氢酶的催化，接受了还原型辅酶Ⅰ上的H，还原为乙醇。还原型辅酶Ⅰ（NADH2）是在第（6）步反应中形成的。乙醛+NADP2乙醇脱氢酶→乙醇+NAD2.2啤酒发酵副产物的形成啤酒发酵期间主要产物为乙醇和二氧化碳，此外还产生少量的代谢副产物，如连二酮类、高级醇类、酯类、有机酸类、醛类和含硫化合物等。这些代谢副产物的形成对啤酒的成熟和产品风味有很大影响。如双乙酰具有馊饭味，是造成啤酒不成熟的主要原因；高级醇含量高的啤酒饮用后容易出现“上头”，啤酒口味也变差等。（1）连二酮的形成与消除酮类名称风味特点阈值正常含量/（mg/L）双乙酰奶酪味/馊饭味0.1~0.20.01~0.082，3-戊二酮奶酪味/腐败味1.00.01~0.2乙偶姻发霉味、不愉快苦味501~5表1啤酒中重要的酮类连二酮对啤酒风味影响很大！啤酒成熟的标准：双乙酰含量0.1~0.15mg/L，H2S含量5μg/L，二甲硫（CH3SCH3）含量30mg/L，乙醛含量15mg/L，高级醇含量75~90mg/L，乙偶姻含量15mg/L时，啤酒就达到成熟。①双乙酰的合成途径双乙酰（或2，3-戊二酮）是由丙酮酸（糖代谢的中间产物）在生物合成缬氨酸（或异亮氨酸，酵母繁殖所需氨基酸）时的中间产物α-乙酰乳酸（或α-乙酰羟基丁酸）转化得到的，是啤酒发酵的必然产物。基中双乙酰对啤酒风味影响大。TPP↓CH3COCOOH→CH3COCOOH.HTPP→CH3CHO.TPP→CH3COCOOH→CH3COCOH(CH3)丙酮酸活性丙酮酸活性乙醛丙酮酸α-乙酰乳酸COOHCH3COCOCH3→CH3COCHOHCH3→CH3CHOHCHOHCH3双乙酰乙偶姻2，3-丁二醇②影响双乙酰生成的因素a.酵母菌种不同的酵母菌种产生双乙酰的能力不同。对双乙酰的还原能力也不同。强壮酵母数量多、代谢旺盛，双乙酰的还原速度快。繁殖期的幼酵母、储存时间过长的酵母、使用代数过多的酵母、营养不良的酵母等还原双乙酰的能力弱，死亡的酵母没有还原双乙酰能力。b.麦芽汁中氨基酸的种类和含量。麦芽汁中缬氨酸含量高可减少α-乙酰乳酸的生成，减少双乙酰的形成。c.巴氏杀菌前啤酒中α-乙酰乳酸含量高，遇到氧和高温将形成较多的双乙酰d.生产过程染菌会导致双乙酰含量增高。如果生产污染杂菌，双乙酰含量明显增加，啤酒质量下降或造成啤酒酸败。e.酵母细胞自溶后体内的α-乙酰乳酸进入啤酒，经氧化转化为双乙酰。③双乙酰的控制与消除方法菌种麦芽汁成分酿造用水残余碱度应1.78mmol提高双乙酰还原温度。控制酵母增殖量外加α-乙酰乳酸脱羧酶。加强清洁卫生工作，严格杀菌，定期做好微生物检查，避免杂菌的污染。采用现代生物技术，利用固定化酵母柱进行后期双乙酰还原，这样即不影响啤酒传统风味，又加快了啤酒成熟，可使整个发酵周期大大缩短。高级醇（俗称杂醇油）是啤酒发酵过程中的主要产物之一，也是啤酒的主要香味和口味物质之一。适量的高级醇能使酒体丰富，口味协调，给人以醇厚的感觉，但如果含量过高，会导致饮后上头并会使啤酒有异味。因此，对于啤酒中的高级醇的含量应严格控制。（2）高级醇的形成啤酒中高级醇的来源降解代谢、合成代谢、糖代谢啤酒中高级醇阈值及其对啤酒风味影响高级醇含量超过100mg/L会使啤酒口味和喜爱程度明显变差，啤酒中的高级醇含量标准为：下面发酵啤酒60~90mg/L，上面发酵啤酒100mg/L啤酒高级醇形成的因素菌种、酵母接种量、酵母增殖、麦芽汁组分、麦芽汁充氧量、发酵条件、酵母自溶、储酒、原料等控制高级醇含量的措施选用高级醇产生量低的酵母菌株，适当提高酵母接种量，可抑制高级醇的生成。选用蛋白质溶解良好的麦芽，制定合理的糖化工艺，注意蛋白质分解的温度和时间，确保麦芽汁中α-氨基氮含量在180mg/L±200mg/L之间。调整发酵工艺，降低麦芽汁冷却温度和酵母添加温度，控制麦芽汁含氧量，使含氧量在8~10mg/L之间，降低主发酵前期的温度，在发酵完毕后，及时排放沉积在发酵罐底部的酵母，防止酵母自溶。严格控制糖化过程中麦芽汁pH5.2~5.4之间，这样可抑制高级醇的生成量，又能适应糖化过程中各种水解酶类的作用，所以在整个糖化过程中必须严格控制和调节pH。为加快发酵速度缩短酒龄，进行搅拌发酵使酵母与麦芽汁和氧之间充分接触，加快发酵速度则有利于高级醇的形成。从啤酒质量方面考虑，生产中要慎重采用。加压发酵压力在（0.08~0.2MPa）发酵，抑制了酵母的繁殖，高级醇的生成量相对减少。酯类（挥发性酯）是啤酒香味的主要来源之一，啤酒中含有适量的酯才能使啤酒香味丰满协调，传统上认为过高的酯含量是异香味，但国外一引起啤酒乙酸乙酯含量大于阈值，有淡雅的果香味，形成了独特风味。酯类在啤酒中的含量很少，但对啤酒风味影响很大。酯类大部分是在主发酵期形成的，尤其是在酵母繁殖旺盛期生成量较大，在后熟期形成量较少。（3）酯类的形成影响酯类含量的因素：酯酶酰基辅酶A酵母菌种发酵温度麦芽汁浓度和麦芽汁含氮量麦芽汁通风发酵方法储酒啤酒中的醛类来自麦芽汁煮沸中美拉德反应和啤酒发酵过程中醇类的前驱物质或氧化产物。常见的醛类有：甲醛、乙醛、丙醛、异丁醛、异戊醛、糠醛、反-2-壬烯醛等。对啤酒风味影响比较大的是乙醛、糠醛和反-2-壬烯醛。糠醛主要由麦芽和酒花中的酚酸在麦芽汁煮沸过程中转化得到，其不能被酵母同化，直接进入啤酒。反-2-壬烯醛的形成是啤酒老化的主要原因之一，生成机理是脂类和游离脂肪酸的酶促和非酶促氧化。啤酒中多数不饱和醛类构成啤酒氧化和老化味，产生多种不良气味。氧和氧化作用是造成啤酒老化的主要原因，啤酒整个生产过程中都要避免或减少酶促或非酶促的氧化反应。（4）醛类的形成啤酒中的酸类约100种，可分为不挥发酸、低挥发酸和挥发酸。不挥发酸主要有乳酸、琥珀酸、柠檬酸、延胡索酸、丙酮酸、焦谷氨酸、草酸、酒石酸、乙醛酸、异柠檬酸和α-酮戊二酸；低挥发酸有丙酸、丁酸、异戊酸、戊酸、己酸、辛酸等。挥发酸有甲酸和乙酸。（5）酸类发酵产物乙醇连二酮高级醇酯类醛类酸类23.影响发酵的主要因素麦芽汁成分麦芽汁组成适宜，能满足酵母生长、繁殖和发酵的需要。α-氨基氮还原糖含量对酵母的影响微量金属，锌，作为酵母中乙醇脱氢酶的辅助因子具有重要作用。如果缺少就会造成发酵迟缓，酵母增殖差和产生不理想的发酵副产物。发酵温度上面啤酒发酵温度18~22℃，下面发酵7~15℃低温发酵的特点：低温发酵可以防止或减少细菌和污染，同时酵母增殖慢，最高酵母细胞浓度低，发酵过程形成的双乙酰、高级醇等代谢副产物少，同化氨基酸少，pH下降缓慢，酒花香气和苦味物质损失少，酿制出的啤酒风味好，此外酵母自溶少，使用代数多。发酵温度下面发酵三类温度低温发酵：接种6~7.5，发酵7~9中温发酵：接种8~9，发酵10~12高温发酵：接种9~10，发酵13~15罐压在一定的罐压下酵母增殖量较少，代谢副产物形成量少，主要原因是由于二氧化碳浓度增高抑制了酵母的增殖。在提高发酵温度缩短发酵时间的同时，应相应提高罐压（加压发酵），以避免由于升温带来的代谢副产物增多的问题。一般最高罐压为温度除以100.pH酵母发酵的最适pH为5~6.过高过低都会影响啤酒发酵速度和代谢产物的种类、数量，从而影响啤酒的发酵和产品质量。代谢产物酵母自身代谢产物乙醇的积累将逐步抑制酵母的发酵作用，一般当乙醇体积分数达到8.5%以上时就会抑制发酵，此外重金属离子Cu2+等对酵母也有毒害作用。4.发酵过程中的质量控制发酵液“翻腾”现象造成酒液澄清慢，过滤困难，质量较差产生原因：主要是由于冷却夹套开启不当，造成上部温度与工艺曲线偏差1.5~4℃，罐中部温度更高，引起发酵液强烈对流。另外压力不稳、急剧升降也会造成翻腾。解决办法：检查仪表是否正常。发酵罐结冰当罐的下部温度与工艺曲线偏差2℃左右，会使储酒罐内温度达到啤酒的冰点（-1.8~2.3℃），可能导致冷却带附近结冰。产生的原因：仪表失灵，温度参数选择不当，热电阻安装位置深度不合适，仪表精度差，操作不当等。解决办法：检查测温元件及仪表误差，特别要检查铂电阻是否泄漏，若泄漏，应烘烤后石蜡密封或更换。酵母自溶产生原因：当罐下部温度与中、下部温度差1.5~5℃以上时，会造成酵母沉降困难和