啤酒发酵的研究进展

啤酒发酵的研究进展一、产品的意义啤酒酿造是以大麦、水为主要原料，以大米或其它未发芽的谷物、酒花为辅助原料；大麦经过发芽产生多种水解酶类制成麦芽；借助麦芽本身多种水解酶类将淀粉和蛋白质等大分子物质分解为可溶性糖类、糊精以及氨基酸、肽、胨等低分子物质制成麦芽汁；麦芽汁通过酵母菌的发酵作用生成酒精和CO2以及多种营养和风味物质；最后经过过滤、包装、杀菌等工艺制成CO2含量丰富、酒精含量仅3%～4%、富含多种营养成份、酒花芳香、苦味爽口的饮料酒即成品啤酒。啤酒的种类根据酵母品种可分为上面发酵啤酒和下面发酵啤酒；根据颜色可分为淡色啤酒和浓色啤酒；根据生产方式可分为鲜啤酒、纯鲜啤酒和熟啤酒。啤酒含酒精度低，营养价值高，成分有水分、碳水化合物、蛋白质、二氧化碳、维生素及钙、磷等物质。有“液体面包”之称，经常饮用有消暑解热、帮助消化、开胃健脾、增进食欲等功能。啤酒特别是黑啤酒可使动脉硬化和白内障的发病率降低50%，并对心脏病有抵抗作用。男性以及年轻女性经常饮用啤酒，可以减少年老时得骨质疏松症的几率。骨质的密度和硅的摄取量有密切关系，而啤酒中因为含有大量的硅，经常饮用有助于保持人体骨骼强健。二、酿酒酵母菌种的选育情况2.1啤酒酵母优良性状的评估啤酒酵母（Saccharomycescerevisiae）啤酒酵母属于典型的上面酵母，又称爱丁堡酵母。广泛应用于啤酒、白酒酿造和面包制作。啤酒酵母的生理生化特性化能异养型，能发酵葡萄糖、果糖、半乳糖、蔗糖、麦芽糖和麦芽三糖以及1/3的棉子糖，不发酵蜜二糖、乳糖和甘油醛，也不发酵淀粉、纤维素等多糖。不分解蛋白质，可同化氨基酸和氨态氮，不同化硝酸盐。需要B族维生素和P、S、Ca、Mg、K、Fe等无机元素。兼性厌氧，有氧条件下，将可发酵性糖类通过有氧呼吸作用彻底氧化为CO2和H2O，释放大量能量供细胞生长；无氧条件下，使可发性糖类通过发酵作用（EMP途径）生成酒精和CO2，释放较少能量供细胞生长。最适生长温度25℃，发酵最适温度10~25℃。最适发酵pH为4.5~6.5。真正发酵度达60%~65%。评价酵母菌种优良与否，主要从以下几个方面考虑：1、形态学上的要求：细胞形态为圆形或卵圆形，优良菌株酵母短轴与长轴之比为1∶(1.1~1.3)，细胞大小趋向于中小型体积为(100um3~160um3)，相同接种量，细胞比表面积大，发酵速度快。2、生理学要求：希望选择繁殖速度快的菌株，细胞倍增时间短，细胞密度增长快，缩短接种后的停滞期，很快进入对数生长期。3、发酵力的要求：主要指酵母对糖的发酵能力，希望酵母具有良好的合成麦芽糖和麦芽三糖渗透酶的能力，使酵母能利用麦芽糖、麦芽三糖进行发酵，提高发酵度。4、凝聚性和沉淀能力：凝聚性太强的酵母一般发酵速度较慢，发酵度偏低，双乙酰还原慢。要求酵母凝聚性适中，即能达到较高的发酵度，又沉淀坚实，发酵完毕后能顺利从发酵液中分离。5、双乙酰峰值和还原速度：希望双乙酰峰值低，还原速度快。6、挥发性风味物质：要求酵母最终代谢产物赋予啤酒以良好的风味。7、酵母对压力的耐受力：希望酵母对压力有较强的耐受力。8、酵母的稳定性：希望酵母能抗变异，连续发酵10代以上发酵速度、发酵度、双乙酰含量及酒的风格无显著变化。9、主酵液和成品啤酒的风味品尝：不能有特殊的异香、异味。10、啤酒泡沫特性：希望泡沫洁白细腻。2.2优良菌种的选育对于啤酒酵母的研究大致可分为四个阶段：1、从自然界或生产过程中分离菌种，这是一个自然筛选阶段。2、用物理、化学因子诱变菌种，即酵母的遗传与变异，其中物理因素包括高温、紫外线、X-射线、δ-射线、β-射线、快中子、激光等，其中认为快中子较为有效。化学诱变剂包括亚硝酸、乙基磺酸甲烷(EMS)、硫酸二乙酯(DES)、N-甲基-N′-硝基-N-亚硝基胍(MNNG)、亚硝基乙基脲(NEU)、氮芥、乙烯亚胺、羟胺、氧化锂、碱基类似物等，其中认为EMS较为有效，称为超诱变剂。国内生产常用的氮芥、乙烯亚胺、紫外线、X-射线均有较好的诱变效果。通过诱变，可以获得改变了遗传特性的变异菌株。Ernades从粗循环酵母样品中分离得到两株酵母菌Et-2和Et-4，可利用35%的糖浆发酵，产生高达18.5%(V/V)的乙醇。Alikhangan用UV照射和EDS诱变S.ouiformis，使酵母细胞的乙醇耐受性从14.1%提高到17.5%。贺家明等人以最低致死酒精浓度为筛选工具，用20万伦琴的射线处理嘉士伯酵母(S.carlsbergensis)后，再经UV处理3min，经多次纯化，使酵母耐糖度从24oP提高到28oP，耐乙醇从8.25%(m/m)提高到9.45%(m/m)、发酵度从14oP提高到18oP，且性能稳定。此外，此途径还可提高酵母对糖的利用。3、杂交、原生质体融合，这是在细胞水平上构建新菌株。杂交育种是依靠酵母的生活史，利用其具有不同遗传特性和相反交配型的细胞能产生新的双倍体，杂交后的新菌株应具有稳定的遗传特性，否则就没有实用价值。通过杂交获取满足生产需要的某些特有性能。原生质体融合包括种内种间融合。Castillo用对7%(V/V)乙醇敏感的酵母LS2和可在12%(V/V)乙醇中生长的酵母LA1进行杂交，获得的LS5、6C杂交株可产生14.11%(V/V)的乙醇。日本三井造船株式会社用具有絮凝性，可生成约11%乙醇的TJ1菌株与具有耐高温、耐乙醇、无絮凝的N1菌株进行融合，获得的融合株AM12具有双亲特性,可生成20%的乙醇,发酵速度比N1快一倍。4、分子遗传与育种的研究，这是在分子、基因水平上构建工程菌，即所谓的基因工程，国内基因工程技术在酵母方面的研究始于1978年，1979年得到第一个2um的啤酒酵母的质粒。进几年此项技术发展较快，由于基因重组技术的开展，根据生产需要，可以改变酵母的某些特性。如野生酵母的污染会影响啤酒的生物稳定性，也会带来异味。因此在啤酒酿造中防止野生酵母的污染至关重要Ymashita等人成功地将嗜杀酵母的基因转移到啤酒酵母中。嗜杀啤酒酵母能抑制发酵过程中野生酵母的生长净化发酵系统。目前通过基因重组技术来改变酵母菌种的遗传特性，使它具有生产所需要的某些优良性状，正在进行的研究试验有以下几个方面：高发酵度的酵母菌株，具有β-葡聚糖酶的酵母菌种，改善酵母凝聚性的菌种，产生胞外蛋白酶的菌种，具有α-乙酰乳酸脱羧酶的酵母菌株，能消除自由基的酵母菌株，增加SO2含量的菌株。此外将要开发的菌种还有：H2S含量低的菌株，类胆固醇含量高的菌株，耐高酒精度、高渗透压的菌株，耐高温的菌株，抗污染的菌株，抗老化的菌株，增加醋酸乙酯含量的菌株，能利用淀粉的菌株，改善泡沫的菌株及无醇啤酒的菌株等等。通过这些工作的进一步展开，使我们能够科学地控制啤酒酵母的遗传特性，使其变得符合要求，使啤酒酿造技术更为合理，便于控制。三、生产工艺图1啤酒的生产过程大麦、辅料大米→粉碎→糖化→过滤→煮沸加酒花→热麦汁→回旋过滤→冷却→冷麦汁→充氧→发酵→前发酵→主发酵→后发酵→贮酒→鲜啤酒↑接种3.2糖化工序麦芽粉碎、糖化生产、麦汁过滤、麦汁煮沸。麦芽粉碎的目的主要在于,使表皮破裂,增加麦芽本身的表面积,使其内容物质更容易溶解,利于糖化。糖化生产是利用麦芽所含的各种水解酶,在适宜的条件下,将麦芽中不溶性高分子物质(淀粉,蛋白质,半纤维素及其中间分解产物),逐步分解成低分子可溶性物质。整个过程主要包括:淀粉分解,蛋白质分解,β-葡聚糖分解,酸的形成和多酚物质的变化。在糖化工序结束后,要进行麦汁过滤,其目的是在最短的时间内,将糖化液中的原料溶出物质和非溶性的麦糟分离,以得到澄清的麦汁和良好的浸出物收得率。麦汁煮沸首先是将酶钝化,破坏酶的活力,主要是停止淀粉酶的作用,稳定可发酵糖和糊精的比例,确保稳定和发酵的一致性。其次还可以对麦汁灭菌,通过煮沸,消灭麦汁中的各种菌类,特别是乳酸菌,避免发酵时发生败坏,保证产品的质量。其次是促进蛋白质的变性和絮凝沉淀,析出某些受热变性以及与单宁物质的结合而絮凝沉淀得蛋白质,提高啤酒的非生物稳定性。其次是促使酒花成分的浸出,在麦汁的煮沸过程中添加酒花,将其所含的软树脂,单宁物质和芳香成分等溶出,以赋予麦汁独特的苦味和香味,同时也提高了啤酒的生物和非生物稳定性。此外,还蒸发麦汁中多余的水分,使其达到要求的浓度,降低麦汁的pH值,还原物质的形成,蒸发出不良的挥发性物质。3.2发酵工序发酵阶段包括麦汁冷却、接种、前发酵、后发酵、过滤等过程。经过糖化工序所得的麦汁,需要通过物理方法将热凝物质与麦汁分离,和将麦汁冷却。接种既是向麦汁中添加酵母并提供酵母繁殖所需的氧气。冷却后的麦汁添加酵母以后,输送到发酵罐中,开始在麦汁充氧的条件下,恢复其生理活性,以麦汁中的氨基酸为主要的氮源,可发酵糖为主要的碳源,进行呼吸作用,并从中获取能量而发生繁殖,同时产生一系列的代谢副产物,此后便在无氧的条件下进行酒精发酵。传统工艺分为前发酵和后发酵。前发酵主要是让酵母增殖,促使麦汁中的糖分被转化为酒精、CO2和热量,形成啤酒相应的风味物质。后发酵主要是产生一些风味物质,排除掉啤酒中的异味,并促进啤酒的成熟,这一期间,控制一定的罐内压力,使后发酵时产生的二氧化碳保留在啤酒中。整个发酵阶段是啤酒生产过程中耗时最长的阶段,一般发酵时间为12~18天。经过二个星期左右的发酵,但有些啤酒发酵期可能长达几个月,然后,将啤酒过滤,除去啤酒中的酵母菌和微小的颗粒,使成品啤酒达到澄清透明、富有光泽,改善啤酒的口味和质量,并延长啤酒的生物稳定性和非生物稳定性。此外,还需用无菌水对啤酒进行稀释使其到达规定酒精度数。3.3包装工序过滤好的啤酒经过低温灭菌(62℃左右),冷却,保证生物稳定性、非生物稳定性、风味稳定性等指标。四、结论与展望目前，发酵产品广泛应用于食品、医药、轻工、化工、农业、环保、冶金等行业。而发酵的核心在于发酵的菌种，菌种的优劣直接影响到产品的质量。为了获得品质优良的菌种，可以通过诱变筛选、杂交，原生质体融合、基因工程等技术选育得到。目前的研究只局限于改良啤酒酵母的某一方面性状而不能同时改良啤酒酵母的几个遗传性状。显然这是一个值得研究的方向。基因工程是啤酒酵母改良的一条非常重要的途径，需要注意的几个问题：一是外源基因的表达不能影响酿造啤酒酵母的酿造特性。二是目的基因应从无毒的菌株中获取。三是要避免不良性状基因的表达，未来经济发展和技术的进步，将为基因工程在啤酒酵母的改良上提供更加广阔的空间。