閥門在發(fā)酵車間應用

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     發(fā)酵有時也寫作酦酵，其定義由使用場合的不同而不同。通常所說的發(fā)酵，多是指生物體對于有機物的某種分解過程。發(fā)酵是人類較早接觸的一種生物化學反應，如今在食品工業(yè)、生物和化學工業(yè)中均有廣泛應用。其也是生物工程的基本過程，即發(fā)酵工程。上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導式減壓閥,空氣減壓閥,氮氣減壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調節(jié)閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動閥門、電動閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。對于其機理以及過程控制的研究，還在繼續(xù)。沸騰現(xiàn)象是由浸出液中的糖在缺氧條件下降解而產生的二氧化碳發(fā)酵設備——發(fā)酵罐發(fā)酵設備——發(fā)酵罐所引起的。在生物化學中把酵母的無氧呼吸過程稱作發(fā)酵。我們所指的發(fā)酵早已賦予了不同的含義。發(fā)酵是生命體所進行的化學反應和生理變化，是多種多樣的生物化學反應根據(jù)生命體本身所具有的遺傳信息去不斷分解合成，以取得能量來維持生命活動的過程。發(fā)酵產物是指在反應過程當中或反應到達終點時所產生的能夠調節(jié)代謝使之達到平衡的物質。實際上，發(fā)酵也是呼吸作用的一種，只不過通常的呼吸作用是指有氧呼吸，其終結果是生成CO2和水，而發(fā)酵過程則是一種無氧呼吸的過程，其終結果是產生酒精，二氧化碳以及其它代謝的產物。
因而，現(xiàn)代發(fā)酵的定義應該是：通過對微生物（或動植物細胞）進行大規(guī)模的生長培養(yǎng)，使之發(fā)生化學變化和生理變化，從而產生和積累大量人們發(fā)酵所需要的代謝產物的過程。發(fā)酵車間是啤酒釀造的關鍵車間。啤酒是由麥芽汁經啤酒酵母發(fā)酵釀造而來的，發(fā)酵的過程就是酵母利用麥芽汁的營養(yǎng)成分，代謝產生酒精、CO2、風味物質等發(fā)酵產物的過程。 
發(fā)酵車間包括酵母的擴培、主酵和貯酒。麥汁經啤酒酵母菌的主發(fā)酵以后，成為尚未成熟的嫩啤酒，接著再經一段時間的低溫貯藏、陳釀，令其后熟，即可經過濾后灌裝出廠。 
發(fā)酵車間包括：酵母的擴培室、發(fā)酵罐、貯酒罐、酵母貯罐、高濃稀釋機等設備。 全套發(fā)酵系統(tǒng)共有大型發(fā)酵缸20個，發(fā)酵能力4500千升/月。 

主要特點：采用微機全過程監(jiān)控，酵母在線自動添加，冷媒速冷，隔氧過濾系統(tǒng)，保障風味純正，保證發(fā)酵過程無雜菌釀造，啤酒口感柔和爽口，酒香清純，口味一致性好。 
低溫長時間發(fā)酵法：青島啤酒始終堅持使用低溫長時間發(fā)酵工藝及深度冷藏技術，酒齡在28天以上，口感特別柔順香醇。 
*的青島酵母：啤酒是由麥芽汁經啤酒酵母發(fā)酵釀造而成的，不同的釀造者，由于采用了不同的酵母菌株，生產出不同特點的啤酒。青島啤酒是用經百年優(yōu)育，性能的青島酵母，低溫長時間精釀而成，口感特別柔順協(xié)調，香氣卓爾不凡。啤酒的生產是依靠純種啤酒酵母利用麥芽汁中的糖、氨基酸等可發(fā)酵性物質通過一系列的生物化學反應，產生乙醇、二氧化碳及其他代謝副產物，從而得到具有*風味的低度飲料酒。啤酒發(fā)酵過程中主要涉及糖類和含氮物質的轉化以及啤酒風味物質的形成等有關基本理論。 
    冷麥汁接種啤酒酵母后，發(fā)酵即開始進行。啤酒發(fā)酵是在啤酒酵母體內所含的一系列酶類的作用下，以麥汁所含的可發(fā)酵性營養(yǎng)物質為底物而進行的一系列生物化學反應。通過新陳代謝終得到一定量的酵母菌體和乙醇、CO2以及少量的代謝副產物如醇、酯類、連二酮類、醛類、酸類和含硫化合物等發(fā)酵產物。這些發(fā)酵產物影響到啤酒的風味、泡沫性能、色澤、非生物穩(wěn)定性等理化指標，并形成了啤酒的典型性。 
    啤酒發(fā)酵分主發(fā)酵（旺盛發(fā)酵）和后熟兩個階段。在主發(fā)酵階段，進行酵母的適當繁殖和大部分可發(fā)酵性糖的分解，同時形成主要的代謝產物乙醇和醇、醛類、雙乙酰及其前驅物質等代謝副產物。后熟階段主要進行雙乙酰的還原使酒成熟、完成殘?zhí)堑睦^續(xù)發(fā)酵和CO2的飽和，使啤酒口味清爽，并促進了啤酒的澄清和成熟。

 *階段：葡萄糖磷酸化生成己糖磷酸酯      

 第二階段：磷酸已糖分裂為兩個磷酸丙酮        

  第三階段：3-磷酸甘油醛生成丙酮酸        

 第四階段：丙酮酸生成乙醇  
（二）發(fā)酵過程的物質變化  
1．糖類的發(fā)酵  
   麥芽汁中糖類成分占90%左右，其中葡萄糖、果糖、蔗糖、麥芽糖、麥芽三糖和棉子糖等稱為可發(fā)酵性糖，為啤酒酵母的主要碳素營養(yǎng)物質。麥芽汁中麥芽四糖以上的寡糖、戊糖、異麥芽糖等不能被酵母利用稱為非發(fā)酵性糖。 
啤酒酵母對糖的發(fā)酵順序為：葡萄糖>果糖>蔗糖>麥芽糖>麥芽三糖。葡萄糖、果糖可以直接透過酵母細胞壁，并受到磷酸化酶作用而被磷酸化。蔗糖要被酵母產生的轉化酶水解為葡萄糖和果糖后才能進入細胞內。麥芽糖和麥芽三糖要通過麥芽糖滲透酶和麥芽三糖滲透酶的作用輸送到酵母體內，再經過水解才能被利用。當麥汁中葡萄糖質量分數(shù)在0.2%～0.5% 以上時，葡萄糖就會抑制酵母分泌麥芽糖滲透酶，從而抑制麥芽糖的發(fā)酵，當葡萄糖質量分數(shù)降到0.2%以下時抑制才被解除，麥芽糖才開始發(fā)酵。此外，麥芽三糖滲透酶也受到麥芽糖的阻遏作用，麥芽糖質量分數(shù)在1%以上時，麥芽三糖也不能發(fā)酵。不同菌種分泌麥芽三糖滲透酶的能力不同，在同樣麥芽汁和發(fā)酵條件下發(fā)酵度也不相同。  
    啤酒酵母在含一定溶解氧的冷麥汁中進行以下兩種代謝，總反應式如下：      

有氧下    C6H12O6+6O2+38ADP+38Pi→6H2O+6CO2+38ATP+281kJ  
    無氧下    1/2C12H22O12+1/2H2O→C6H12O6+2ADP+2Pi→2C2H5OH+2CO2+2ATP+226.09kJ      啤酒酵母對糖的發(fā)酵都是通過EMP途徑生成丙酮酸后，進入有氧TCA循環(huán)或無氧分解途徑。酵母在有氧下經過TCA循環(huán)可以獲得更多的生物能，此時無氧發(fā)酵被抑制，稱為巴斯德效應。但在葡萄糖（含果糖）質量分數(shù)在0.4%～1.0%以上時，氧的存在并不能抑制發(fā)酵，而有氧呼吸卻受大抑制，稱反巴斯德效應。實際酵母接入麥汁后主要進行的是無氧酵解途徑（發(fā)酵），少量為有氧呼吸代謝。  2．含氮物質的轉化  
    麥芽汁中的α-氨基氮含量和氨基酸組成對酵母和啤酒發(fā)酵有重要影響，酵母的生長和繁殖需要吸收麥汁中的氨基酸、短肽、氨、嘌呤、嘧啶等可同化性含氮物質。啤酒酵母接入冷麥汁后，在有氧存在的情況下通過吸收麥汁中的低分子含氮物質如氨基酸、二肽、三肽等用于合成酵母細胞蛋白質、核酸等，進行細胞的繁殖。酵母對氨基酸的吸收情況與對糖的吸收相似，發(fā)酵初期只有A組8種氨基酸（天冬酰氨、絲氨酸、蘇氨酸、賴氨酸、精氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、谷酰氨）很快被吸收，其它氨基酸緩慢吸收或不被吸收。當上述8種氨基酸濃度下降50%以上時，其它氨基酸才能被輸送到細胞內。當合成細胞時需要8種氨基酸以外的氨基酸時，細胞外的氨基酸不能被輸送到細胞內，這時酵母就通過生物合成所需的氨基酸。麥汁中含氮物質的含量及所含氨基酸的種類、比例不同對酵母的生長、繁殖和代謝副產物醇、雙乙酰等的形成都有很大影響。一般情況下，麥汁中含氮物質占浸出物的4%～6%，含氮量800～1000mg/L左右，α-氨基氮含量在150～210mg/L左右。  

    啤酒發(fā)酵過程中，含氮物質約下降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細胞，另外有部分蛋白質由于pH和溫度的下降而沉淀，少量蛋白質被酵母細胞吸附。發(fā)酵后期，酵母細胞向發(fā)酵液分泌多余的氨基酸，使酵母衰老和死亡，死細胞中的蛋白酶被活化后，分解細胞蛋白質形成多肽，通過被適當水解的細胞壁進入發(fā)酵液，此現(xiàn)象稱為酵母自溶，其對啤酒風味有較大影響，會造成"酵母臭"。

 3．其它變化  
   在發(fā)酵過程中，麥芽汁的含氧量越高，酵母的繁殖越旺盛，酵母表面以及泡蓋中吸附的苦味物質就越多。大約有30%～40%的苦味物質在發(fā)酵過程中損失。另外，啤酒的色度隨著發(fā)酵液PH值的下降，溶于麥汁中的色素物質被凝固析出，單寧與蛋白質的復合物以及酒花樹脂等吸附于泡蓋、冷凝固物或酵母細胞表面，使啤酒的色度也有所下降。此外，啤酒酵母在整個代謝過程中，將不斷產生CO2，一部分以吸附、溶解和化合狀態(tài)存在于酒液當中，另一部分CO2被回收或逸出罐外，終成品啤酒的CO2質量分數(shù)為0.5%左右。從總體來看，CO2在酒液中的產生、飽和及逸出等變化，對提高啤酒質量是具有重要作用的。具體的情況將在后續(xù)的相關內容中再做介紹。  

(三) 啤酒發(fā)酵副產物的形成   
    啤酒發(fā)酵期間，酵母利用麥汁中營養(yǎng)物質轉化為各種代謝產物。其中主要產物為乙醇和二氧化碳，此外還產生少量的代謝副產物，如連二酮類、醇類、酯類、有機酸類、醛類和含硫化合物等。這些代謝副產物的形成對啤酒的成熟和產品風味有很大影響，如雙乙酰具有餿飯味，是造成啤酒不成熟的主要原因；醇含量高的啤酒飲用后容易出現(xiàn)“上頭”，啤酒口味也變差等。  
1．連二酮類的形成與消除  
    雙乙酰（CH3COCOCH3）與2，3-戊二酮（CH3COCOCH2CH3）合稱為連二酮，對啤酒風味影響很大。在縮短啤酒酒齡的研究中發(fā)現(xiàn)，當酒中雙乙酰含量<0.1～0.15mg/L，H2S含量<5μ/L，二甲硫（CH3SCH3），乙醛含量<30mg/L，醇<75～90mg/L，乙偶姻<15mg/L時，啤酒就達到成熟。其中雙乙酰對啤酒風味影響大，故國內把啤酒中雙乙酰含量列入國家標準，把雙乙酰含量的高低作為衡量啤酒是否成熟的*衡量指標。  
    雙乙酰在啤酒中的味閾值（用人的感覺器官所能感受到某種物質的低含量稱為閾值）為0.1～0.2mg/L，2，3-戊二酮的味閾值為1.0mg/L。啤酒中雙乙酰和2，3-戊二酮的氣味很相近，當質量分數(shù)達0.5mg/L時有明顯不愉快的餿飯味，當含量>0.2mg/L時有似燒焦的麥芽味。淡色啤酒雙乙酰含量達0.15mg/L以上時，就有不愉快的刺激味。  

(1)雙乙酰的合成途徑  
    雙乙酰（或2，3-戊二酮）是由丙酮酸（糖代謝的中間產物）在生物合成纈氨酸（或異亮氨酸）（酵母繁殖所需氨基酸）時的中間代謝產物α-乙酰乳酸（或α-乙酰羥基丁酸）轉化得到的，是啤酒發(fā)酵的必然產物。其中雙乙酰對啤酒風味影響大，其生物合成機理為：      丙酮酸與TPP（焦磷酸硫氨素，為輔羧酶，能催化氧化脫羧反應）結合，使丙酮酸轉化成活性丙酮酸，脫羧后變成活性乙醛，再與丙酮酸縮合成α-乙酰乳酸。α-乙酰乳酸經過酵母體外非酶氧化生成雙乙酰，雙乙酰在酵母體內的還原酶作用下被還原為閾值很高的2，3-丁二醇（閾值為100mg/L）。   
    α-乙酰乳酸是酵母合成纈氨酸的中間產物，當麥汁中缺乏纈氨酸或纈氨酸被消耗時，將產生較多的α-乙酰乳酸。而α-乙酰乳酸在溫度較高又有氧化劑存在的條件下極易氧化脫羧形成雙乙酰。在中性（pH7.0）條件下，α-乙酰乳酸穩(wěn)定不易氧化，而在pH過低時，α-乙酰乳酸則分解成乙偶姻。  (2)影響雙乙酰生成的因素  

 ①酵母菌種   
    不同的酵母菌種產生雙乙酰的能力不同，對雙乙酰的還原能力也不同。強壯酵母數(shù)量多、代謝旺盛，雙乙酰的還原速度快。繁殖期的幼酵母、貯存時間過長的酵母、使用代數(shù)過多的酵母、營養(yǎng)不良的酵母等還原雙乙酰的能力弱，死亡的酵母沒有還原雙乙酰能力。  
  ②麥汁中氨基酸的種類和含量：麥汁中纈氨酸含量高可減少α-乙酰乳酸的生成，減少雙乙酰的形成。  
  ③巴氏殺菌前啤酒中α-乙酰乳酸含量高，遇到氧和高溫將形成較多的雙乙酰。  
  ④生產過程染菌會導致雙乙酰含量增高。如果生產污染雜菌，雙乙酰含量明顯增加，啤酒質量下降或造成啤酒酸敗。  

  ⑤酵母細胞自溶后體內的α-乙酰乳酸進入啤酒，經氧化轉化為雙乙酰。

 (3)雙乙酰的控制與消除方法  
  ①菌種   選擇雙乙酰產生量低的菌種；適當提高酵母接種量，雙乙酰還原期酵母數(shù)不低
于7³106
個/100ml；使用酵母代數(shù)不要超過5代。  
  ②麥汁成分   在相同發(fā)酵條件下，麥汁中α-氨基氮含量對下酒時雙乙酰含量有明顯影響，見表4-2-2。麥汁α-氨基氮含量要求在180～200mg/L（12ºP啤酒），過高過低對于啤酒生產都不利，適當?shù)?alpha;-氨基氮既保證有必須的纈氨酸含量，又對啤酒風味沒有不利影響?？刂迫芙庋鹾繎?～9mg/L，有利于控制酵母的增殖。麥汁含鋅量一般為0.15～0.20mg/L，鋅含量增加也有利于減少啤酒雙乙酰含量。  
  ③釀造用水殘余堿度應小于1.78mmol。殘余堿度高將影響麥汁中的α-氨基氮含量。

   ④提高雙乙酰還原溫度   啤酒低溫發(fā)酵可以減少發(fā)酵副產物的形成，保證啤酒口味純正。提高雙乙酰還原溫度既可以加快α-乙酰乳酸向雙乙酰的轉化，同時又有利于雙乙酰被酵母還原。由于α-乙酰乳酸轉化為雙乙酰是非酶氧化反應，反應速度緩慢，提高溫度則可加快轉化速度。研究發(fā)現(xiàn)，α-乙酰乳酸非酶氧化速度與雙乙酰還原速度相差100倍，只有把發(fā)酵液中的α-乙酰乳酸盡快轉化為雙乙酰才能降低啤酒中雙乙酰的含量。  

 ⑤控制酵母增殖量   α-乙酰乳酸是在酵母繁殖期間形成的，減少酵母的繁殖量才能減少α-乙酰乳酸的形成量，從而減少啤酒中雙乙酰的生成量。故適當增加酵母接種量，有利于減少雙乙酰的產生。 
  ⑥外加α-乙酰乳酸脫羧酶    該酶用于啤酒發(fā)酵過程，可將雙乙酰的前驅體α-乙酰乳酸直接催化分解成3-羥基-2-丁酮（俗稱乙偶姻）。在主發(fā)酵階段，如果麥芽汁中沒有足夠的游離纈氨酸，釀造酵母將啟動纈氨酸合成機制。在纈氨酸合成的生化途徑中，α-乙酰乳酸是其前驅物，它很容易透出細胞進入培養(yǎng)液中。發(fā)酵過程中，發(fā)酵液中的α-乙酰乳酸被緩慢地氧化脫羧，產生大量雙乙酰。若將α-乙酰乳酸脫羧酶加入麥芽汁，該酶通過迅速脫羧反應（非氧化反應）將α-乙酰乳酸轉化為乙偶姻，它消除所有培養(yǎng)液中的α-乙酰乳酸使其不能轉化為雙乙酰。這樣就會減少雙乙酰的生成和雙乙酰還原時間，縮短啤酒發(fā)酵周期1～3天。  
  ⑦加強清潔衛(wèi)生工作，嚴格殺菌，定期做好微生物檢查，避免雜菌的污染。  

 ⑧采用現(xiàn)代生物技術，利用固定化酵母柱進行后期雙乙酰還原，這樣既不影響啤酒傳統(tǒng)風味，又加快了啤酒成熟，可使整個發(fā)酵周期大大縮短。 與本文相關的論文有：五陽煤礦應用閥門案例