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第五章 啤酒发酵. 啤酒发酵变化. ◆ 啤酒发酵是一个复杂的生化和物质转化过程 ◆ 酵母主要代谢产物是乙醇和二氧化碳 ◆ 发酵副产物，如醇类、醛类、酸类、酯类、酮类和硫化物等物质 ◆ 发酵产物的作用 : 决定了啤酒的风味、泡沫、色泽和稳定性等各项理化性能，同时也赋予了啤酒典型的特色. 低温发酵低温后熟工艺. 啤酒发酵类型. ◆ 啤酒酵母可分为上面酵母和下面酵母两种类型，前者采用较高的发酵温度；后者采用较低的发酵温度。这两类啤酒风味不同，特色各异
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啤酒发酵变化 ◆啤酒发酵是一个复杂的生化和物质转化过程 ◆酵母主要代谢产物是乙醇和二氧化碳 ◆发酵副产物，如醇类、醛类、酸类、酯类、酮类和硫化物等物质 ◆发酵产物的作用: 决定了啤酒的风味、泡沫、色泽和稳定性等各项理化性能，同时也赋予了啤酒典型的特色
啤酒发酵类型 ◆啤酒酵母可分为上面酵母和下面酵母两种类型，前者采用较高的发酵温度；后者采用较低的发酵温度。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，下面发酵的啤酒品种有比尔森啤酒、出口啤酒、淡色啤酒等，如我国著名的青岛啤酒就是典型的下面发酵啤酒； ◆上面发酵－－小麦啤酒、阿尔特啤酒、科尔施啤酒等则是上面发酵啤酒，在英国，上面发酵仍是生产啤酒的主要方法。在德国巴伐利亚州小麦啤酒的产量占到总产量的30%，近年来还有上升的趋势。近几年，我国的小麦啤酒日益受到消费者的普遍欢迎和喜爱，小麦啤酒产量呈明显增长趋势，上面发酵技术也开始受到人们的重视。
发酵过程分段 ◆根据传统生产方法，啤酒发酵过程分前（主）发酵和后发酵两个阶段。 ◆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，均在主发酵阶段完成。 ◆后发酵是前发酵的延续，必须在密闭的发酵容器中进行，残糖进一步进行分解，形成二氧化碳，并充分溶于啤酒中，达到饱和；啤酒在低温下陈贮，进一步得到成熟和澄清。
本章主要内容 • 一、发酵物质转化(主产物/副产物) • 二、纯种酵母的扩大培养/酵母回收 • 三、传统发酵工艺(主发酵/后发酵) • 四、一罐法发酵工艺 • 五、发酵设备 • 六、发酵控制
第一节发酵中的物质转化 ◆整个发酵过程可大致分为3个阶段： （1）酵母适应阶段； （2）有氧呼吸阶段； （3）无氧发酵阶段。发酵变化应看作一个相互关联的过程。 ◆发酵期间通过酵母新陈代谢形成的副产物起着特殊的作用，这些副产物中的某些物质部分又被重新分解。 ◆这些副产物的形成和部分分解与酵母的新陈代谢密切相关，因此要引起注意。
发酵机理 ◆酵母属兼性微生物，在有氧和厌氧的条件下都能生存 ◆啤酒发酵是一个复杂的生化和物质转过程。 ◆酵母的主要代谢产物和发酵副产物： ——乙醇和二氧化碳 ——醇类、醛类、酸类、酯类、酮类和硫化物等物质。 这些发酵产物决定了啤酒的风味、泡沫、色泽和稳定性等各项理化性能，赋予啤酒以典型特色。
发酵机理的重要性 • 葡萄糖酒精发酵的生化机制是酒精制造和酒类酿造最基础的理论。（白酒、啤酒、酒精、黄酒、制醋等） • 对啤酒酿造来说，除发酵代谢产物酒精和CO2是组成啤酒的最主要成分外，代谢过程中的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。
发酵过程中物质的转化 一、糖类的代谢 ◆麦汁营养丰富，为酵母细胞提供了良好的生存环境。酵母在麦汁中吸收营养物质，排泄代谢产物。 ◆糖类物质约占麦汁浸出物的90％，其中葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、麦芽三糖和棉子糖称为可发酵性糖，是啤酒酵母的主要碳素营养物质，也是发酵中可利用的物质。
糖类的代谢 ◆麦汁中的DP9－DP12糊精、麦芽四糖、麦芽五糖至麦芽九糖等均为不可发酵性糖，又称非糖。在实际生产中糖与非糖的比例一般控制为7：3较合适。 ◆生产淡色啤酒，可发酵性糖含量略高，发酵度高，口味清爽； ◆生产浓色啤酒，其非糖比例略高一些，以增加它的醇厚感。
葡萄糖阻遏效应（glucose effect）或分解代谢抑制（catabolife repression） 当麦汁中含有较多的葡萄糖时，会抑制酵母细胞分泌麦芽糖渗透酶。没有这种渗透酶的运载，麦芽糖不能进入细胞内，须待葡萄糖和果糖的浓度发酵降至一定程度后，才能消除这种抑制作用，酵母细胞才能分泌麦芽糖渗透酶，使麦芽糖得以进入细胞内，再经α-葡萄糖苷酶分解为单糖后，进行酵解。
糖类代谢顺序 ◆麦汁中的可发酵性糖最主要的是麦芽糖50% ◆麦汁中的糖分并不是同时发酵。酵母最先作用单糖，然后才能分解多糖。 ◆将可发酵性糖分为三类： ——起发酵糖（单糖或己糖）； ——主发酵糖（麦芽糖）； ——后发酵糖（麦芽三糖）。
影响糖代谢速度的因素 • 麦汁特性：发酵速度首先取决于麦汁中冷凝固物和热凝固物的分离程度、麦汁通氧量以及麦汁的组成。 2. 发酵温度：酒精发酵速度随温度上升明显加快，而低温下发酵速度会减慢。 3. 酵母浓度：酵母细胞和麦汁之间的接触面积对于物质转化非常重要。接触面积随酵母细胞浓度的增加而扩大。酵母量用细胞数个/ ml表示。酵母细胞数在生长最旺盛阶段可达3~4×107个/ ml，在某些工艺过程中甚至高达108个／ml。
影响糖代谢速度的因素 4. 机械作用：机械运动如循环、搅拌等，可加强酵母细胞和麦汁的接触，使发酵剧烈进行。 5. 酵母菌种：发酵速度也是每个酵母菌种的遗传特性，不同酵母菌种的发酵速度也不相同。 6. 压力：在发酵过程中，压力不断上升，这会使发酵、酵母增殖和发酵副产物的形成逐渐停止。原因是溶解在啤酒中的CO2量及压力在不断增加。
二、氮类物质的代谢 ◆吸收方式： 生长旺盛的酵母需要吸收氮元素，在发酵起始阶段，酵母直接吸收氨基酸；在发酵阶段主要是氨基酸通过转化而产生新物质，用于合成细胞的蛋白质和其他的含氮化合物。 ◆功能： 麦汁中含有氨基酸、肽类、蛋白质、嘌呤、嘧啶以及其他多种含氮物质。这些含氮物质很重要，可供酵母繁殖同化之用，并且对啤酒的理化性能和风味特点起主导作用。
氨基酸的同化方法 ①脱氨 ②转氨 ③氧化脱氨 ④斯提克（Stickland）反应 把氨基酸分为氧化剂、还原剂，两类AA共存时发生分子间的氧化还原反应，两个AA同时脱去氨基。 方法① ②同化AA约占80%，方法③约占20%，方法④比例很小
多种氨基酸共存，同化速率较高 ◆培养基中，两种氨基酸同时存在，较一种单独氨基酸的的同化率可提高10％ ◆如用3种氨基酸，同化率可进一步提高8％ ◆含有多种氨基酸的麦汁，其氮的同化率较高
三组AA的重要性 第一组AA易合成，意义不大。 第二组AA浓度比较重要。此类氨基酸不足，必须由酮酸 同类物合成，将大大影响成品啤酒的质量。 第三组AA最重要。 此类AA必须由外界吸收。若麦汁缺乏，将对发酵和啤酒质量产生不利影响，将会使糖代谢产生α－酮酸的需求量增大，使高级醇含量上升。 麦汁中如果含有超量的氨基酸，会产生大量副产物，将对啤酒质量产生不利影响。
其他代谢产物 1. 生青味物质 ——双乙酰、乙醛、硫化氢 这些物质赋予啤酒不纯正、不成熟、不协调的口味和气味。浓度高时对啤酒质量具有不利影响 它们可在主酵和后酵进程中通过生化途径从啤酒中分离去，这也是啤酒后酵的目的
2. 芳香物质 ——高级醇、酯等 这些物质主要决定啤酒的香味。在一定浓度范围内，它们的存在是优质啤酒的前提条件。 与生青味物质相反，芳香物质不能通过工艺技术途径从啤酒中去除。
一、双乙酰（VDK） ◆连二酮 双乙酰 2,3—戊二酮 ◆口味阈值0.1~0.15mg/L，口味阈值大约为2mg/L ◆两者同属羰基化合物，化学性质相似，对啤酒的影响也相似。总称为连二酮
双乙酰的性质 ◆双乙酰是啤酒中最主要的生青味物质，味道有些甜，如奶酪香味，也称为馊饭味，经常同一般的口味不纯联系在一起。双乙酰的口味阈值在0.1~0.15mg／L之间。在啤酒后熟过程中，连二酮的分解与啤酒后熟过程同时进行。 ◆目前，双乙酰仍被视为啤酒是否成熟的一项重要指标。
双乙酰 ◆双乙酰是乙酰乳酸在酵母细胞外非酶氧化的产物，是酵母在生长繁殖时，在酵母细胞体内用可发酵性糖经乙酰乳酸合成它所需要的缬氨酸、亮氨酸途径中的副产物，中间产物乙酰乳酸部分排出酵母细胞体外，经氧化脱羧作用生成双乙酰。 ◆双乙酰的消除又必须依赖于酵母细胞体内的酶来实现。
双乙酰三形成的阶段 （一）前驱体的形成 —— 酶法转化 （二）前驱体的转化—— 被动扩散 乙酰乳酸的形成取决于下列因素： （1）酵母菌株 酵母的种类对于双乙酰的降解起决定性的作用。 （2）酵母的接种 通常情况下，较高的接种量和发酵温度有利于双乙酰的降解。 （3）麦汁组成 麦汁组成会直接影响酵母的生长和双乙酰的降解。充足的α-氨基氮有利于酵母的繁殖。
前驱体的转化 （4）麦汁充氧 充氧对双乙酰的形成没有直接影响，但可以促进酵母的生长。 （5）促进前驱体转化的因素 A．降低pH值：pH值为4.2～4.4时，转化迅速；随着pH的提高，转化减弱。 B．提高温度：温度越高，转化越迅速。 C．氧气吸入：啤酒摄入氧气可导致前驱体迅速向连二酮转化。前驱体向连二酮的转化程度限制了啤酒的成熟速度。
（三）连二酮的还原 —— 非酶氧化分解 非酶氧化
成品啤酒中双乙酰含量高的原因 一般由工艺原因造成的，原因有二： 1. 是α－乙酰乳酸分解不完全，可造成双乙酰含量较高。迟缓的主发酵或后发酵容易使成品啤酒产生较多的双乙酰。深色和具有麦芽焦香的啤酒双乙酰含量较普通啤酒多一些。 2. 是当感染了啤酒有害菌如足球菌，也会出现这种结果。
二、高级醇 ◆所谓高级醇类，就是3个碳原子以上的醇类的总称，酒精和白酒工业上俗称杂醇油。 ◆高级醇是啤酒发酵过程中的主要副产物之一，是构成啤酒风味的重要物质。 ◆适宜的高级醇组成及含量，不但能促进啤酒具有丰满的香味和口味，且能增加啤酒口感的协调性和醇厚性。
主要高级醇 ◆啤酒发酵中生成的高级醇，以异戊醇（3-甲基丁醇）的含量最高，约占高级醇总量的50%以上。 ◆其次为活性戊醇（2-甲基丁醇）、异丁醇和正丙醇。此外，还有色醇、酪醇、苯乙醇和糠醇等。 ◆异戊醇（3－甲基丁醇）的含量最高，约占高级醇总量的50%
高级醇的作用 ◆对啤酒风味影响较大的是异戊醇和β-苯乙醇，它们与乙酸乙酯、乙酸异戊酯、乙酸苯乙酯是构成啤酒香味的主要成分 ◆高级醇是引起啤酒“上头”（即头痛）的主要成分之一。当啤酒中高级醇含量超过120mg/L，特别是异戊醇含量超过50mg/L，异丁醇含量超过10mg/L时，饮后就会出现“上头”现象 ◆主要原因是由于高级醇在人体内的代谢速度要比乙醇慢，对人体的刺激时间长
形成高级醇的两个代谢途径 （一）降解代谢途径（Ehrlich反应） 约80%以上的氨基酸原封不动地被酵母同化， 20%氨基酸经Ehrlich反应
形成高级醇的两个代谢途径 （二）生物合成糖类生物合成氨基酸的最后阶段，形成了α－酮酸，经脱羧成醛，醛还原为醇
影响啤酒中高级醇形成的因素（一） （1）酵母菌种：高发酵度菌株形成的高级醇要多，必须选择合适的菌种； （2）麦汁成份：麦汁含有足量氨基酸和易发酵的碳水化合物，因为经过合成系统只产生很少量的高级醇（麦汁中氨基酸含量以控制在180±20mg/L较合适），若辅料比太大，加蔗糖多，常导致麦汁中α－氨基氮缺少，必然导致高级醇增加；
影响啤酒中高级醇形成的因素（二） （3）酵母添加量 1.5～1.8×107个/ml为适宜，接种量高，新增殖的酵母细胞相对较少，有利于降低高级醇的形成，若酵母细胞繁殖多，易形成较多的高级醇，在实际生产中，酵母的增殖倍数一般控制在4倍以内； （4）发酵温度 麦汁中溶解氧过高和高温发酵都会促进酵母繁殖，也就相应增加了高级醇的生成量，故可采用低温主发酵，高温还原双乙酰的工措施。加压发酵，也有利于降低高级醇的形成；
影响啤酒中高级醇形成的因素（三） （5）发酵方式 采用联合罐发酵（前酵使用锥形罐发酵，后酵在传统发酵罐中进行），高级醇总量相对于普通发酵方法而言会增加20～25％。不管采取怎样的方法，所有加速主发酵的措施都将增加高级醇的含量。
三、酯 ◆酯类是啤酒香味物质的主要成分，其含量虽少，但对啤酒的风味影响很大 ◆适量的酯，使啤酒香味丰满协调；过量的酯，会赋予啤酒不舒适的苦味和香味（果味） ◆酯在主酵期间通过脂肪酸的酯化形成，少量酯也可通过高级醇的酯化生成。酯主要在酵母旺盛繁殖期生成，在啤酒后酵只有微量增加，其含量随着麦汁浓度和乙醇浓度的增加而提高
啤酒中的主要酯类 ◆乙酸乙酯 ◆乙酸异戊酯 ◆乙酸异丁酯 ◆β—乙酸苯乙酯 ◆己酸乙酯 ◆辛酸乙酯
四、啤酒中的硫化物 ◆酵母的生长和繁殖离不开硫元素，如生物合成细胞蛋白质、辅酶A、谷胱甘肽和硫胺素等 。 ◆硫是酵母生长和酵母代谢过程中不可缺少的微量成分，某些硫的代谢产物含量过高时，常给啤酒风味带来缺陷，因此，需引起人们的重视。 ◆含硫氨基酸——半胱氨酸、甲硫氨酸（蛋AA）
五、有机酸 ◆啤酒中含有多种酸，约在100种以上。多数有机酸都具有酸味，它是啤酒的重要口味成分之一。 ◆酸类不构成啤酒香味，它是呈味物质。酸味和其他成分协调配合，即组成啤酒的酒体。 ◆有的有机酸还另具特殊风味，如柠檬酸和乙酸有香味，而苹果酸和琥珀酸则酸中带苦。 ◆啤酒中有适量的酸会赋予啤酒爽口的口感；缺乏酸类，使啤酒呆滞、不爽口；过量的酸，使啤酒口感粗糙，不柔和、不协调，意味着污染产酸菌。 ◆多数有机酸来自于酵母的新陈代谢EMP途径
表4—7 12°P啤酒中有机酸的阈值和总酸含量 注：折算总酸1mol/LNaOH的毫升数
