第三节啤酒发酵技术

第三节啤酒发酵技术啤酒发酵过程是啤酒酵母在一定的条件下，利用麦汁中的可发酵性物质而进行的正常生命活动，其代谢的产物就是所要的产品--啤酒。由于酵母类型的不同，发酵的条件和产品要求、风味不同，发酵的方式也不相同。根据酵母发酵类型不同可把啤酒分成上面发酵啤酒和下面发酵啤酒。一般可以把啤酒发酵技术分为传统发酵技术和现代发酵技术。现代发酵主要有圆柱露天锥形发酵罐发酵、连续发酵和高浓稀释发酵等方式，目前主要采用圆柱露天锥形发酵罐发酵。一、传统发酵技术（自学）生产工艺流程：充氧冷麦汁→发酵→前发酵→主发酵→后发酵→贮酒→鲜啤酒↑菌种二、现代发酵技术现代发酵技术主要包括大容量发酵罐发酵法（其中主要是圆柱露天锥形发酵罐发酵法）、高浓糖化后稀释发酵法、连续发酵法等。（一）锥形发酵罐发酵法传统啤酒是在正方形或长方形的发酵槽（或池）中进行的，设备体积仅在5～30m3，啤酒生产规模小，生产周期长。20世纪50年代以后，由于世界经济的快速发展，啤酒生产规模大幅度提高，传统的发酵设备以满足不了生产的需要，大容量发酵设备受到重视。所谓大容量发酵罐是指发酵罐的容积与传统发酵设备相比而言。大容量发酵罐有圆柱锥形发酵罐、朝日罐、通用罐和球形罐。圆柱锥形发酵罐是目前世界通用的发酵罐，该罐主体呈圆柱形，罐顶为圆弧状，底部为圆锥形，具有相当的高度（高度大于直径），罐体设有冷却和保温装置，为全封闭发酵罐。圆柱锥形发酵罐既适用于下面发酵，也适用于上面发酵，加工十分方便。德国酿造师发明的立式圆柱锥形发酵罐由于其诸多方面的优点，经过不断改进和发展，逐步在全世界得到推广和使用。我国自20世纪70年代中期，开始采用室外圆柱体锥形底发酵罐发酵法（简称锥形罐发酵法），目前国内啤酒生产几乎全部采用此发酵法。1．锥形罐发酵法的特点（1）底部为锥形便于生产过程中随时排放酵母，要求采用凝聚性酵母。（2）罐本身具有冷却装置，便于发酵温度的控制。生产容易控制，发酵周期缩短，染菌机会少，啤酒质量稳定。（3）罐体外设有保温装置，可将罐体置于室外，减少建筑投资，节省占地面积，便于扩建。（4）采用密闭罐，便于CO2洗涤和CO2回收，发酵也可在一定压力下进行。即可做发酵罐，也可做贮酒罐，也可将发酵和贮酒合二为一，称为一罐发酵法。（5）罐内发酵液由于液体高度而产生CO2梯度（即形成密度梯度）。通过冷却控制，可使发酵液进行自然对流，罐体越高对流越强。由于强烈对流的存在，酵母发酵能力提高，发酵速度加快，发酵周期缩短。（6）发酵罐可采用仪表或微机控制，操作、管理方便。（7）锥形罐既适用于下面发酵，也适用于上面发酵。（8）可采用CIP自动清洗装置，清洗方便。（9）锥形罐加工方便（可在现场就地加工），实用性强。（10）设备容量可根据生产需要灵活调整，容量可从20～600m3不等，最高可达1500m3。2.锥形罐工作原理与罐体结构（1）锥形发酵罐工作原理锥形罐发酵法发酵周期短、发酵速度快的原因是由于锥形罐内发酵液的流体力学特性和现代啤酒发酵技术采用的结果。接种酵母后，由于酵母的凝聚作用，使得罐底部酵母的细胞密度增大，导致发酵速度加快，发酵过程中产生的二氧化碳量增多，同时由于发酵液的液柱高度产生的静压作用，也使二氧化碳含量随液层变化呈梯度变化（见表4-3-1），因此罐内发酵液的密度也呈现梯度变化，此外，由于锥形罐体外设有冷却装置，可以人为控制发酵各阶段温度。在静压差、发酵液密度差、二氧化碳的释放作用以及罐上部降温产生的温差（1～2℃）这些推动力的作用下，罐内发酵液产生了强烈的自然对流，增强了酵母与发酵液的接触，促进了酵母的代谢，使啤酒发酵速度大大加快，啤酒发酵周期显著缩短。另外，由于提高了接种温度、啤酒主发酵温度、双乙酰还原温度和酵母接种量也利于加快酵母的发酵速度，从而使发酵能够快速进行。（2）锥形发酵罐基本结构①罐顶部分罐顶为一圆拱形结构，中央开孔用于放置可拆卸的大直径法兰，以安装CO2和CIP管道及其连接件，罐顶还安装防真空阀、过压阀和压力传感器等，罐内侧装有洗涤装置，也安装有供罐顶操作的平台和通道。②罐体部分罐体为圆柱体，是罐的主体部分。发酵罐的高度取决于圆柱体的直径与高度。由于罐直径大耐压低，一般锥形罐的直径不超过6m。罐体的加工比罐顶要容易，罐体外部用于安装冷却装置和保温层，并留一定的位置安装测温、测压元件。罐体部分的冷却层有各种各样的形式，如盘管、米勒扳、夹套式，并分成2～3段，用管道引出与冷却介质进管相连，冷却层外覆以聚氨酯发泡塑料等保温材料，保温层外再包一层铝合金或不锈钢板，也有使用彩色钢板作保护层。③圆锥底部分圆锥底的夹角一般为60º～80º，也有90º～110º，但这多用于大容量的发酵罐。发酵罐的圆锥底高度与夹角有关，夹角越小锥底部分越高。一般罐的锥底高度占总高度的1/4左右，不要超过1/3。圆锥底的外壁应设冷却层，以冷却锥底沉淀的酵母。锥底还应安装进出管道、阀门、视镜、测温、测压得传感元件等。此外，罐的直径与高度比通常为1：2～1：4，总高度最好不要超过16m，以免引起强烈对流，影响酵母和凝固物的沉降。制罐材料可用不锈钢或碳钢，若使用碳钢，罐内壁必须涂以对啤酒口味没有影响的且无毒的涂料。发酵罐工作压力可根据罐的工作性质确定，一般发酵罐的工作压力控制在0.2～0.3MPa。罐内壁必须光滑平整，不锈钢罐内壁要进行抛光处理，碳钢罐内壁涂料要均匀，无凹凸面，无颗粒状凸起。（3）锥形发酵罐主要尺寸的确定①径高比锥形罐呈圆柱锥底形，圆筒体的直径与高度之比为1：1～4。一般径高比越大，发酵时自然对流越强烈，酵母发酵速度快，但酵母不容易沉降，啤酒澄清困难。一般直径与麦汁液位总高度之比应为1：2，直径与柱形部分麦汁高度之比应为1：1～1.5。②罐容量罐容量越大，麦汁满罐时间越长，发酵增殖次数多、时间长，会造成双乙酰前驱物质形成量增大，双乙酰产生量大、还原时间长。此外，还会造成出酒、清洗、重新进麦汁等非生产时间延长，且用冷高峰期峰值高，造成供冷紧张。由于二氧化碳的释放和泡沫的产生，罐有效容积一般为罐总量的80%左右。③锥角一般在60°～90°之间，常用60°～75°（不锈钢罐常用锥角60°，内有涂料的钢罐锥角为75°），以利于酵母的沉降与分离。④冷却夹套和冷却面积锥形发酵罐冷却常采用间接冷却。国内一般采用半圆管、槽钢、弧形管夹套，或米勒板氏夹套在低温低压（－3℃、0.03MPa）下用液态二次冷媒冷却，国外多采用换热片式（爆炸成型）一次性冷媒直接蒸发式冷却。一次性冷酶（如液氨蒸发温度为－3～－4℃）蒸发后的压力为1.0MPa～1.2MPa,对夹套耐压性要求较高。由于啤酒冰点温度一般为－2.0～－2.7℃,为防止啤酒在罐内局部结冰，冷媒温度应在－3℃左右。国内常采用20%～30%的酒精水溶液，或20%丙二醇水溶液作为冷媒。根据罐的容量不同，冷却可采用二段式或三段式。冷却面积根据罐体的材料而定，不锈钢材料一般为0.35～0.4m2/m3发酵液，碳钢罐为0.5～0.62m2/m3发酵液。锥底冷却面积不宜过大，防止贮酒期啤酒的结冰。⑤隔热层和防护层绝热层材料要求导热系数小、体积质量低、吸水少、不易燃等特性。常用绝热材料有聚酰胺树脂、自熄式聚苯乙烯塑料、聚氨基甲酸乙酯、膨胀珍珠岩粉和矿渣棉等。绝热层厚度一般为150～200mm。外保护层一般采用0.7～1.5mm厚的铝合金板、马口铁板或0.5～0.7mm的不锈钢板，近来瓦楞型板比较受欢迎。⑥罐体的耐压发酵产生一定的二氧化碳形成罐顶压力（罐压），应设有二氧化碳调节阀，罐顶设有安全阀。当二氧化碳排出、下酒速度过快、发酵罐洗涤时二氧化碳溶解等都会造成罐内出现负压，因此必须安装真空阀。下酒前要用二氧化碳或压缩空气背压，避免罐内负压的产生，造成发酵罐瘪罐。3．锥形罐发酵工艺（1）锥形罐发酵的组合形式锥形罐发酵生产工艺组合形式有以下几种：①发酵－贮酒式此种方式，两个罐要求不一样，耐压也不同，对于现代酿造来说，此方式意义不大。②发酵－后处理式即一个罐进行发酵，另一个罐为后熟处理。对发酵罐而言，将可发酵性成分一次完成，基本不保留可发酵性成分，发酵产生的CO2全部回收并贮存备用，然后转入后处理罐进行后熟处理。其过程为将发酵结束的发酵液经离心分离，去除酵母和冷凝固物，再经薄板换热器冷却到贮酒温度，进行1～2天的低温贮存后开始过滤。③发酵-后调整式即前一个发酵罐类似一罐法进行发酵、贮酒，完成可发酵性成分的发酵，回收CO2、回收酵母，进行CO2洗涤，经适当的低温贮存后，在后调整罐内对色泽、稳定性、CO2含量等指标进行调整，再经适当稳定后即可开始过滤操作。（2）发酵主要工艺参数的确定①发酵周期由产品类型、质量要求、酵母性能、接种量、发酵温度、季节等确定，一般12～24天。通常，夏季普通啤酒发酵周期较短，优质啤酒发酵周期较长，淡季发酵周期适当延长。②酵母接种量一般根据酵母性能、代数、衰老情况、产品类型等决定。接种量大小由添加酵母后的酵母数确定。发酵开始时：10～20×106个/ml；发酵旺盛时：6～7×107个/ml；排酵母后：6～8×106个/ml；0℃左右贮酒时：1.5～3.5×106个/ml。③发酵最高温度和双乙酰还原温度啤酒旺盛发酵时的温度称为发酵最高温度，一般啤酒发酵可分为三种类型：低温发酵、中温发酵和高温发酵。低温发酵：旺盛发酵温度8℃左右；中温发酵：旺盛发酵温度10～12℃；高温发酵：旺盛发酵温度15～18℃。国内一般发酵温度为：9～12℃。双乙酰还原温度是指旺盛发酵结束后啤酒后熟阶段（主要是消除双乙酰）时的温度，一般双乙酰还原温度等于或高于发酵温度，这样既能保证啤酒质量又利于缩短发酵周期。发酵温度提高，发酵周期缩短，但代谢副产物量增加将影响啤酒风味且容易染菌；双乙酰还原温度增加，啤酒后熟时间缩短，但容易染菌又不利于酵母沉淀和啤酒澄清。温度低，发酵周期延长。④罐压根据产品类型、麦汁浓度、发酵温度和酵母菌种等的不同确定。一般发酵时最高罐压控制在0.07～0.08MPa。一般最高罐压为发酵最高温度值除以100（单位MPa）。采用带压发酵，可以抑制酵母的增殖，减少由于升温所造成的代谢副产物过多的现象，防止产生过量的高级醇、酯类，同时有利于双乙酰的还原，并可以保证酒中二氧化碳的含量。啤酒中CO2含量和罐压、温度的关系为：CO2（%，m/m）=0.298+0.04p－0.008t其中p--罐压（压力表读数）（MPa）t--啤酒品温（℃）⑤满罐时间从第一批麦汁进罐到最后一批麦汁进罐所需时间称为满罐时间。满罐时间长，酵母增殖量大，产生代谢副产物α-乙酰乳酸多，双乙酰峰值高，一般在12～24h，最好在20h以内。⑥发酵度可分为低发酵度、中发酵度、高发酵度和超高发酵度。对于淡色啤酒发酵度的划分为：低发酵度啤酒，其真正发酵度48%～56%；中发酵度啤酒，其真正发酵度59%～63%；高发酵度啤酒，其真正发酵度65%以上，超高发酵度啤酒（干啤酒）其真正发酵度在75%以上。目前国内比较流行发酵度较高的淡爽性啤酒。（4）锥形发酵罐工艺要求①应有效的控制原料质量和糖化效果，每批次麦汁组成应均匀，如果各批麦汁组成相差太大，将会影响到酵母的繁殖与发酵。如10ºP麦汁成分要求为：浓度%（m/m）10±0.2，色度（EBC单位）5.0～8.0，pH5.4±0.2，α-氨基氮（mg/L）140～180。②大罐的容量应与每次糖化的冷麦汁量以及每天的糖化次数相适应，要求在16h内装满一罐，最多不能超过24h，进罐冷麦汁对热凝固物要尽量去除，如能尽量分离冷凝固物则更好。③冷麦汁的温度控制要考虑每次麦汁进罐的时间间隔和满罐的次数，如果间隔时间长次数多，可以考虑逐批提高麦汁的温度，也可以考虑前一、二批不加酵母，之后的几批将全量酵母按一定比例加入，添加比例由小到大，但应注意避免麦汁染菌。也有采用前几批麦汁添加酵母，最后一批麦汁不加酵母的办法。④冷麦汁溶解氧的控制可以根据酵母添加量和酵母繁殖情况而定，一般要求每批冷麦汁应按要求充氧，混合冷麦汁溶解氧不低于8mg/L。⑤控制发酵温度应保持相对稳定，避免忽高忽低。温度控制以采用自动控制