啤酒发酵机理

啤酒发酵机理•一、发酵过程•啤酒发酵因所用酵母不同，可分上面发酵和下面发酵两种类型。前者采用上面酵母和较高的发酵温度；后者采用下面酵母和较低的发酵温度。这两类啤酒风味不同，特色各异。•下面发酵是全世界普遍采用的啤酒生产方法，我国98%以上的啤酒都是采用下面发酵方法生产的。•根据传统生产方法，啤酒发酵过程分主发酵（又名前发酵）和后发酵两个阶段。•主发酵阶段：酵母繁殖和大部分可发酵性糖类的代谢以及发酵产物的形成。•后发酵阶段：是前发酵的延续，必须在密闭的发酵容器中进行，使残糖分解形成的二氧化碳充分溶于啤酒中，并达到饱和；在低温下陈贮，使啤酒进一步成熟和澄清。•由于科学技术的不断发展，啤酒发酵过程的生化机理已为人们所掌握。为了缩短发酵周期，提高发酵设备利用率，人们在传统发酵技术的基础上，又创造了许多新型发酵方法如一罐发酵、高温发酵、搅拌发酵、加压发酵、连续发酵、固定化酵母发酵等，并开发了多种新型发酵容器。其中最常用的是一罐发酵法。•采用这一新技术，可以使主发酵和后发酵在同一容器中进行（即一罐发酵），发酵过程连续进行，既保证了啤酒的品质，又简化了管理和操作，为推动我国啤酒工业发展发挥了重要作用。现整个发酵过程可大致分为4个阶段：（1）酵母适应阶段；（2）有氧呼吸阶段（即酵母增殖阶段）；（3）无氧发酵阶段；（4）啤酒后熟阶段。•第一阶段：酵母接种后，开始在麦汁充氧的条件下，恢复其生理活性。•第二阶段：然后以麦汁中的氨基酸为主要氮源和以可发酵性糖为主要碳源，进行有氧呼吸，并从中获取能量而生长繁殖，同时产生一系列代谢副产物；•第三阶段：麦汁中的氧被耗尽后，酵母即在无氧的条件下进行酒精发酵。•第四阶段：发酵后的酒液再经过后熟阶段，会使酒液中的沉淀等杂质析出，使啤酒的风味更好。•其中第二、三、四阶段比较复杂，详述如下。•（一）有氧呼吸阶段•在有氧条件下，酵母进行EMP—TCA循环，进行有氧呼吸，属酵母繁殖阶段。•糖除被分解为水和二氧化碳外，代谢过程中EMP途径还是许多代谢产物生成的基础，因而熟知这个过程对研究其他啤酒风味成分也十分重要。1、第一阶段：葡萄糖1,6-二磷酸果糖OCH2OHOHOHOHOHHHHHMgOCH2OPO3H2OHOHOHOHHHHH己糖磷酸激酶葡萄糖6－磷酸葡萄糖HOH磷酸己糖异构酶6-磷酸果糖H2O3POHOHOHCH2OHCH2OH2O3POHOHOHCH2OPO3H2CH2OOHHHOHOHCH2OHCH2OHOOHH磷酸果糖激酶己糖激酶ATPADPMgATPADPATPADPMg果糖1,6-二磷酸果糖2、第二阶段：1,6-二磷酸果糖3-磷酸甘油醛1,6-二磷酸果糖HOHH2O3POHOHOHCH2OPO3H2CH2OCH2OPO3H2CCH2OHOCH2OPO3H2CHOHCHO磷酸二羟丙酮3－磷酸甘油醛磷酸丙糖异构酶96％4％醛缩酶3、第三阶段：3-磷酸甘油醛2-磷酸甘油酸3－磷酸甘油醛CH2OPO3H2CHOHCHOCH2OPO3H2CHOHCOPO3H2ONAD+NADH+H+1,3-二磷酸甘油酸CH2OPO3H2CHOHCOHOADPATPMg磷酸甘油酸激酶CH2OHCHOPO3H2COHO3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸变位酶4、第四阶段：2-二磷酸甘油酸丙酮酸2-磷酸甘油酸CH2OHCHOPO3H2COHOCH2COPO3H2COHO烯醇化酶Mg+2磷酸烯醇式丙酮酸COHOCHOHCH2COOHCCH3OADPATP2Mg+丙酮酸激酶烯醇式丙酮酸丙酮酸•EMP反应方程式：葡萄糖+2ADP+2Pi+2NAD+2丙酮酸+2ATP+2（NADH+H+）EMP途径2乙酰辅酶A2丙酮酸1葡萄糖柠檬酸顺乌头酸异柠檬酸草酰琥珀酸α-酮戊二酸琥珀酰辅酶A琥珀酸反丁烯二酸苹果酸草酰乙酸H2OH2OCO2CO2H2OH2OTCA循环•三羧酸循环总反应式•葡萄糖彻底氧化分解反应方程式：•C6H6O6+6H2O+10NAD++2FAD+4ADP+4Pi6CO2+10NADH+10H++2FADH2+4ATP共产生10个NADH、2个FADH2、4个ATP简写如下：葡萄糖+38ADP+38H3PO46CO2+6H2O+38ATP•（二）无氧发酵阶段•在无氧条件下，酵母进行EMP—丙酮酸—酒精途径，进行无氧发酵，糖被酵解，产生乙醇和二氧化碳，属生产乙醇阶段。•此过程释放出大量能量（放热过程），因此在啤酒发酵过程中若想保持恒温，就需要对发酵罐进行冷却。酒精生产反应式：G+2ADP+2Pi————2乙醇＋2ATP+2水体液中的乙醇含量与症状关系体液乙醇含量（mg/100ml）20-头胀、愉快而健谈40-精神振作、说话流利、行动稍笨、手微震颤60-100谈话絮絮不休、行动笨拙80-100情感冲动、自言自语、反应迟钝、步履蹒跚120-135倦睡，呈明显酒醉状态200-250意识朦胧，言语含糊，大多数呈木僵状400-500深度麻醉，少数致死亡*引自葛可佑总主编《中国营养科学全书》•日常生产中易污染啤酒的微生物•在啤酒的日常生产中，发酵时被杂菌污染时有发生，这些有害微生物对啤酒的品质有很大的影响。按照对氧气的需求，常见的杂菌分为：好氧微生物、微好氧微生物、兼性好氧微生物、绝对好氧微生物四大类群。具体主要种类有：•一、肠道细菌：发酵车间经常可以检测到如欧式杆菌属、克式杆菌属、多变杆菌属等，它们存在于植物、土壤和水中。肠道细菌在大麦中繁殖迅速，能产生烂白菜的气味，甚至有H2S的味道。在麦汁和发酵初期，也极易迅速繁殖，危害到啤酒的风味。但它在pH4.0以下，2.0%乙醇啤酒中不能繁殖。（一般是厌氧）•二、变形肥大杆菌：污染后会使啤酒产生二甲基硫味。它在pH低于3.9时不能生长，但耐6.0%乙醇。（均有）•三、乳酸菌：是啤酒工厂污染的主要细菌，其中包含乳酸菌和足球菌两个属。它们广泛存在于发酵罐、管道、阀门、啤酒残液中。前者不耐酒花且在低温下生长缓慢，所以不污染啤酒发酵过程；后者会导致啤酒酸化，产生双乙酰味，同时会分泌荚膜多糖，使啤酒粘稠、浑浊。（厌氧菌）•四、醋酸菌：可以通过空气污染啤酒。污染后会使啤酒有明显的酸味且浑浊。对酒花不敏感，耐酸耐酒精强。（醋酸菌有好氧的，如氧化醋酸杆菌，巴氏醋酸杆菌等和厌氧的，如热醋酸杆菌）•五、发酵单胞菌：在较广的pH范围内生长。污染后会使啤酒变味。对酒花不敏感，耐酸耐酒精强。•六、其他杂菌：如啤酒巨形球菌等都会给啤酒带来难闻的气味。•因此，在啤酒酿造过程中,保证啤酒种酵母的绝对主导地位，以及尽可能加大对其他微生物的控制,是保证啤酒品质的关键。•(三)有氧及无氧阶段发酵现象•1.酵母繁殖期：添加酵母8～16h后，液面上出现二氧化碳小气泡，逐渐形成白色、乳状泡沫。酵母繁殖20h左右，沉淀于繁殖罐底部。•2.起泡期：24～25h后，在麦汁表面出现更多的泡沫，由四周渐渐拥向中间，洁白细腻，厚而紧密，如菜花状。此阶段发酵液的温度每天上升0.5～0.8℃，降糖0.3～0.5°P，维持时间1～2天，不需人工降温。•3.高泡期：发酵2～3天后，泡沫增高，形成卷曲状隆起，高达25～30cm，并因酒中酒花树脂和蛋白质-单宁复合物析出而逐渐变为棕黄色。高泡期一般维持2～3天，每日降糖1.5°P左右。•4.落泡期：发酵5天以后，发酵力逐渐减弱，二氧化碳气泡减少，泡沫回缩，酒中析出物增多，泡沫由棕黄色变为棕褐色。此时应控制酒温每日下降0.5℃左右，每日消糖0.5～0.8°P，落泡期一般维持2天左右。•5.泡盖形成期：发酵7～8天后，泡沫回缩，形成一层褐色苦味的泡盖，覆于液面，厚度为2～4cm。此时，发酵已进入末期，每日降糖0.2～0.4°P。急剧降温后，酵母大量凝集沉淀。此时，液面呈静止的暗褐色状。•（四）啤酒后熟阶段•1.啤酒后熟阶段主要物质变化及作用•后发酵过程中，一些生物和理、化的变化仍在缓慢进行，其主要作用如下：•①后发酵温度仍维持在3～5℃，使残留的可发酵糖（主要是麦芽糖和麦芽三糖）继续发酵，产生的CO2在密闭的贮酒容器中，不断溶解于酒内，使CO2达到饱和状态。同时，在比较高的后发酵温度下，双乙酰仍可较快地还原。•CO2作用：•赋予啤酒以杀口的刺激感，可防止酒的氧化；•有利于被胶体物质吸附和与酒内某些成分结合，在酒中更趋稳定；•有利于泡沫的形成和泡沫的持久性及稳定性；•有助于降低啤酒pH值，使啤酒更显淡爽；•析出部分酒花树脂，使啤酒苦味更加柔和；有利于防止杂菌污染。•为弥补发酵自身二氧化碳不足，在啤酒灌装前采用人为添充二氧化碳的技术和设备。•最近，还出现了一项新技术，即在主发酵期将可发酵性糖完全耗尽，没有后发酵期。在酒液中充入二氧化碳，使之饱和。这样当然可以大大缩短生产时间。•②后发酵初期产生的CO2，在排至贮酒罐外的同时，还将酒中的生青味和挥发性物质如双乙酰、硫化氢和乙醛等大量排出，减少了啤酒的不成熟口味，促使啤酒成熟。•③发酵维持7～10天后，逐步降低酒温至0～1℃，进入贮酒成熟期。在贮酒期较低的温度和pH值环境下，酒中悬浮的酵母、冷凝固物和酒花树脂等物质缓慢沉淀下来，使酒液逐渐澄清，酒的口感愈趋成熟。大大改善了啤酒的非生物稳定性，延长了成品啤酒的保质期。•在后发酵期内，啤酒应绝对防止接触空气。否则，不但啤酒的风味、泡沫、色泽和非生物稳定性会因氧化而受到影响，并且易感染杂菌，影响啤酒的生物稳定性。•2.啤酒的澄清•①啤酒澄清的作用•啤酒澄清是在贮酒期间，将酒中的悬浮物沉淀下来。•澄清的目的是使滤酒顺利，过滤损失低；过滤后的酒浊度低（浊度0.3EBC单位），酒的稳定性好，保质期长。•②影响啤酒澄清的主要悬浮物质•a.酵母细胞：啤酒澄清与酵母菌种有关。凝聚性酵母易沉淀，有利于酒的澄清；粉状酵母则沉淀很慢或根本不沉淀，需要采取其它措施如加胶吸附，使其沉淀，或经离心机离心分离。•b.冷凝固性蛋白质：随着贮酒温度和pH的降低，一些冷凝固性蛋白质逐渐析出而沉淀。•c.酒花树脂：已溶解的酒花树脂，在温度和pH不断降低情况下，部分又析出而沉淀下来。•d.蛋白质—多酚复合物：此物质是形成成品啤酒混浊沉淀的前体物质。其多酚部分因不断氧化聚合，相对分子质量增大，遇冷则析出，成雾状混浊（又名冷混浊），加热至20℃复溶。再进一步氧化聚合，相对分子质量大到一定程度，便成永久性混浊，加热不能复溶，长时间放置后，即沉淀下来。•上述悬浮物质均随贮藏温度降低和贮藏时间延长而逐渐沉降下来，使酒变得比较澄清。但是，单纯依靠贮酒期间的自然沉降，只能使酒达到一定程度的澄清。•要使啤酒达到清澈透明，有光泽，最后需经过机械处理（离心分离和过滤等方法），除去最小的微细粒子。•3.影响啤酒澄清的因素•①悬浮物的性质：蛋白质和酒花树脂的析出物，开始都很微小，这些微粒互相接触、吸附和凝聚，形成较大的颗粒，最后沉淀下来。•其沉降速度除与本身所形成的颗粒大小有关外，还受酒液的pH值、温度、粘度和对流状态等条件的影响。•冷混浊物和永久性混浊物不容易在短时间内析出，但这些物质早期析出，并在滤酒时除去，对成品啤酒的保存期非常有利。•②贮酒温度：•高温（3℃以上）贮藏的酒，比低温（0℃以下）贮藏的酒澄清得快。因为在较高温度下，冷混浊物析出较少。但这样的酒装出后，保存期短。•贮酒温度愈低，遇冷析出的物质愈多，澄清度虽不及高温者好，但在滤酒时可将悬浮混浊物除去，对成品啤酒的保存期是极为有利的。•因此，滤酒前利用冷却器将酒温降至－1.5℃（接近啤酒的冰点），尽量使冷混浊物较多地析出再过滤，这对啤酒的非生物稳定性来说比较有利。•③pH值：•酒液的pH值在4.2～4.4时，有利于酒的沉淀和澄清。•下面发酵啤酒的pH值一般在4.0~4.5，澄清较快；上面发酵啤酒的pH值低一些，可达4.0以下，澄清较慢。•④容器大小：•贮酒罐直径过大者，内部酒温不易很快下降，影响悬浮物质的析出、凝聚和沉淀；•液柱高的贮酒罐，沉淀物不易很快沉降罐底，较液柱低者澄清慢。•因此，小贮酒罐有利于酒的澄清。对于容量过大的贮酒罐，采用室冷法降低酒温是不合理的，应采用带降温或利用热交换器进行体外