阀门在发酵车间应用

                         上海申弘阀门有限公司

     发酵有时也写作酦酵，其定义由使用场合的不同而不同。通常所说的发酵，多是指生物体对于有机物的某种分解过程。发酵是人类较早接触的一种生物化学反应，如今在食品工业、生物和化学工业中均有广泛应用。其也是生物工程的基本过程，即发酵工程。上海申弘阀门有限公司主营阀门有：减压阀(气体减压阀,可调式减压阀,波纹管减压阀,活塞式减压阀,蒸汽减压阀,先导式减压阀,空气减压阀,氮气减压阀,水用减压阀,自力式减压阀,比例减压阀)、安全阀、保温阀、低温阀、球阀、截止阀、闸阀、止回阀、蝶阀、过滤器、放料阀、隔膜阀、旋塞阀、柱塞阀、平衡阀、调节阀、疏水阀、管夹阀、排污阀、排气阀、排泥阀、气动阀门、电动阀门、高压阀门、中压阀门、低压阀门、水力控制阀、真空阀门、衬胶阀门、衬氟阀门。对于其机理以及过程控制的研究，还在继续。沸腾现象是由浸出液中的糖在缺氧条件下降解而产生的二氧化碳发酵设备——发酵罐发酵设备——发酵罐所引起的。在生物化学中把酵母的无氧呼吸过程称作发酵。我们所指的发酵早已赋予了不同的含义。发酵是生命体所进行的化学反应和生理变化，是多种多样的生物化学反应根据生命体本身所具有的遗传信息去不断分解合成，以取得能量来维持生命活动的过程。发酵产物是指在反应过程当中或反应到达终点时所产生的能够调节代谢使之达到平衡的物质。实际上，发酵也是呼吸作用的一种，只不过通常的呼吸作用是指有氧呼吸，其zui终结果是生成CO2和水，而发酵过程则是一种无氧呼吸的过程，其zui终结果是产生酒精，二氧化碳以及其它代谢的产物。
因而，现代发酵的定义应该是：通过对微生物（或动植物细胞）进行大规模的生长培养，使之发生化学变化和生理变化，从而产生和积累大量人们发酵所需要的代谢产物的过程。发酵车间是啤酒酿造的关键车间。啤酒是由麦芽汁经啤酒酵母发酵酿造而来的，发酵的过程就是酵母利用麦芽汁的营养成分，代谢产生酒精、CO2、风味物质等发酵产物的过程。 
发酵车间包括酵母的扩培、主酵和贮酒。麦汁经啤酒酵母菌的主发酵以后，成为尚未成熟的嫩啤酒，接着再经一段时间的低温贮藏、陈酿，令其后熟，即可经过滤后灌装出厂。 
发酵车间包括：酵母的扩培室、发酵罐、贮酒罐、酵母贮罐、高浓稀释机等设备。 全套发酵系统共有大型发酵缸20个，发酵能力4500千升/月。 

主要特点：采用微机全过程监控，酵母在线自动添加，冷媒速冷，隔氧过滤系统，保障风味纯正，保证发酵过程无杂菌酿造，啤酒口感柔和爽口，酒香清纯，口味一致性好。 
低温长时间发酵法：青岛啤酒始终坚持使用低温长时间发酵工艺及深度冷藏技术，酒龄在28天以上，口感特别柔顺香醇。 
*的青岛酵母：啤酒是由麦芽汁经啤酒酵母发酵酿造而成的，不同的酿造者，由于采用了不同的酵母菌株，生产出不同特点的啤酒。青岛啤酒是用经百年优育，性能的青岛酵母，低温长时间精酿而成，口感特别柔顺协调，香气卓尔不凡。啤酒的生产是依靠纯种啤酒酵母利用麦芽汁中的糖、氨基酸等可发酵性物质通过一系列的生物化学反应，产生乙醇、二氧化碳及其他代谢副产物，从而得到具有*风味的低度饮料酒。啤酒发酵过程中主要涉及糖类和含氮物质的转化以及啤酒风味物质的形成等有关基本理论。 
    冷麦汁接种啤酒酵母后，发酵即开始进行。啤酒发酵是在啤酒酵母体内所含的一系列酶类的作用下，以麦汁所含的可发酵性营养物质为底物而进行的一系列生物化学反应。通过新陈代谢zui终得到一定量的酵母菌体和乙醇、CO2以及少量的代谢副产物如醇、酯类、连二酮类、醛类、酸类和含硫化合物等发酵产物。这些发酵产物影响到啤酒的风味、泡沫性能、色泽、非生物稳定性等理化指标，并形成了啤酒的典型性。 
    啤酒发酵分主发酵（旺盛发酵）和后熟两个阶段。在主发酵阶段，进行酵母的适当繁殖和大部分可发酵性糖的分解，同时形成主要的代谢产物乙醇和醇、醛类、双乙酰及其前驱物质等代谢副产物。后熟阶段主要进行双乙酰的还原使酒成熟、完成残糖的继续发酵和CO2的饱和，使啤酒口味清爽，并促进了啤酒的澄清和成熟。

 *阶段：葡萄糖磷酸化生成己糖磷酸酯      

 第二阶段：磷酸已糖分裂为两个磷酸丙酮        

  第三阶段：3-磷酸甘油醛生成丙酮酸        

 第四阶段：丙酮酸生成乙醇  
（二）发酵过程的物质变化  
1．糖类的发酵  
   麦芽汁中糖类成分占90%左右，其中葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、麦芽三糖和棉子糖等称为可发酵性糖，为啤酒酵母的主要碳素营养物质。麦芽汁中麦芽四糖以上的寡糖、戊糖、异麦芽糖等不能被酵母利用称为非发酵性糖。 
啤酒酵母对糖的发酵顺序为：葡萄糖>果糖>蔗糖>麦芽糖>麦芽三糖。葡萄糖、果糖可以直接透过酵母细胞壁，并受到磷酸化酶作用而被磷酸化。蔗糖要被酵母产生的转化酶水解为葡萄糖和果糖后才能进入细胞内。麦芽糖和麦芽三糖要通过麦芽糖渗透酶和麦芽三糖渗透酶的作用输送到酵母体内，再经过水解才能被利用。当麦汁中葡萄糖质量分数在0.2%～0.5% 以上时，葡萄糖就会抑制酵母分泌麦芽糖渗透酶，从而抑制麦芽糖的发酵，当葡萄糖质量分数降到0.2%以下时抑制才被解除，麦芽糖才开始发酵。此外，麦芽三糖渗透酶也受到麦芽糖的阻遏作用，麦芽糖质量分数在1%以上时，麦芽三糖也不能发酵。不同菌种分泌麦芽三糖渗透酶的能力不同，在同样麦芽汁和发酵条件下发酵度也不相同。  
    啤酒酵母在含一定溶解氧的冷麦汁中进行以下两种代谢，总反应式如下：      

有氧下    C6H12O6+6O2+38ADP+38Pi→6H2O+6CO2+38ATP+281kJ  
    无氧下    1/2C12H22O12+1/2H2O→C6H12O6+2ADP+2Pi→2C2H5OH+2CO2+2ATP+226.09kJ      啤酒酵母对糖的发酵都是通过EMP途径生成丙酮酸后，进入有氧TCA循环或无氧分解途径。酵母在有氧下经过TCA循环可以获得更多的生物能，此时无氧发酵被抑制，称为巴斯德效应。但在葡萄糖（含果糖）质量分数在0.4%～1.0%以上时，氧的存在并不能抑制发酵，而有氧呼吸却受大抑制，称反巴斯德效应。实际酵母接入麦汁后主要进行的是无氧酵解途径（发酵），少量为有氧呼吸代谢。  2．含氮物质的转化  
    麦芽汁中的α-氨基氮含量和氨基酸组成对酵母和啤酒发酵有重要影响，酵母的生长和繁殖需要吸收麦汁中的氨基酸、短肽、氨、嘌呤、嘧啶等可同化性含氮物质。啤酒酵母接入冷麦汁后，在有氧存在的情况下通过吸收麦汁中的低分子含氮物质如氨基酸、二肽、三肽等用于合成酵母细胞蛋白质、核酸等，进行细胞的繁殖。酵母对氨基酸的吸收情况与对糖的吸收相似，发酵初期只有A组8种氨基酸（天冬酰氨、丝氨酸、苏氨酸、赖氨酸、精氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、谷酰氨）很快被吸收，其它氨基酸缓慢吸收或不被吸收。当上述8种氨基酸浓度下降50%以上时，其它氨基酸才能被输送到细胞内。当合成细胞时需要8种氨基酸以外的氨基酸时，细胞外的氨基酸不能被输送到细胞内，这时酵母就通过生物合成所需的氨基酸。麦汁中含氮物质的含量及所含氨基酸的种类、比例不同对酵母的生长、繁殖和代谢副产物醇、双乙酰等的形成都有很大影响。一般情况下，麦汁中含氮物质占浸出物的4%～6%，含氮量800～1000mg/L左右，α-氨基氮含量在150～210mg/L左右。  

    啤酒发酵过程中，含氮物质约下降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细胞，另外有部分蛋白质由于pH和温度的下降而沉淀，少量蛋白质被酵母细胞吸附。发酵后期，酵母细胞向发酵液分泌多余的氨基酸，使酵母衰老和死亡，死细胞中的蛋白酶被活化后，分解细胞蛋白质形成多肽，通过被适当水解的细胞壁进入发酵液，此现象称为酵母自溶，其对啤酒风味有较大影响，会造成"酵母臭"。

 3．其它变化  
   在发酵过程中，麦芽汁的含氧量越高，酵母的繁殖越旺盛，酵母表面以及泡盖中吸附的苦味物质就越多。大约有30%～40%的苦味物质在发酵过程中损失。另外，啤酒的色度随着发酵液PH值的下降，溶于麦汁中的色素物质被凝固析出，单宁与蛋白质的复合物以及酒花树脂等吸附于泡盖、冷凝固物或酵母细胞表面，使啤酒的色度也有所下降。此外，啤酒酵母在整个代谢过程中，将不断产生CO2，一部分以吸附、溶解和化合状态存在于酒液当中，另一部分CO2被回收或逸出罐外，zui终成品啤酒的CO2质量分数为0.5%左右。从总体来看，CO2在酒液中的产生、饱和及逸出等变化，对提高啤酒质量是具有重要作用的。具体的情况将在后续的相关内容中再做介绍。  

(三) 啤酒发酵副产物的形成   
    啤酒发酵期间，酵母利用麦汁中营养物质转化为各种代谢产物。其中主要产物为乙醇和二氧化碳，此外还产生少量的代谢副产物，如连二酮类、醇类、酯类、有机酸类、醛类和含硫化合物等。这些代谢副产物的形成对啤酒的成熟和产品风味有很大影响，如双乙酰具有馊饭味，是造成啤酒不成熟的主要原因；醇含量高的啤酒饮用后容易出现“上头”，啤酒口味也变差等。  
1．连二酮类的形成与消除  
    双乙酰（CH3COCOCH3）与2，3-戊二酮（CH3COCOCH2CH3）合称为连二酮，对啤酒风味影响很大。在缩短啤酒酒龄的研究中发现，当酒中双乙酰含量<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时，啤酒就达到成熟。其中双乙酰对啤酒风味影响zui大，故国内把啤酒中双乙酰含量列入国家标准，把双乙酰含量的高低作为衡量啤酒是否成熟的*衡量指标。  
    双乙酰在啤酒中的味阈值（用人的感觉器官所能感受到某种物质的zui低含量称为阈值）为0.1～0.2mg/L，2，3-戊二酮的味阈值为1.0mg/L。啤酒中双乙酰和2，3-戊二酮的气味很相近，当质量分数达0.5mg/L时有明显不愉快的馊饭味，当含量>0.2mg/L时有似烧焦的麦芽味。淡色啤酒双乙酰含量达0.15mg/L以上时，就有不愉快的刺激味。  

(1)双乙酰的合成途径  
    双乙酰（或2，3-戊二酮）是由丙酮酸（糖代谢的中间产物）在生物合成缬氨酸（或异亮氨酸）（酵母繁殖所需氨基酸）时的中间代谢产物α-乙酰乳酸（或α-乙酰羟基丁酸）转化得到的，是啤酒发酵的必然产物。其中双乙酰对啤酒风味影响大，其生物合成机理为：      丙酮酸与TPP（焦磷酸硫氨素，为辅羧酶，能催化氧化脱羧反应）结合，使丙酮酸转化成活性丙酮酸，脱羧后变成活性乙醛，再与丙酮酸缩合成α-乙酰乳酸。α-乙酰乳酸经过酵母体外非酶氧化生成双乙酰，双乙酰在酵母体内的还原酶作用下被还原为阈值很高的2，3-丁二醇（阈值为100mg/L）。   
    α-乙酰乳酸是酵母合成缬氨酸的中间产物，当麦汁中缺乏缬氨酸或缬氨酸被消耗时，将产生较多的α-乙酰乳酸。而α-乙酰乳酸在温度较高又有氧化剂存在的条件下极易氧化脱羧形成双乙酰。在中性（pH7.0）条件下，α-乙酰乳酸稳定不易氧化，而在pH过低时，α-乙酰乳酸则分解成乙偶姻。  (2)影响双乙酰生成的因素  

 ①酵母菌种   
    不同的酵母菌种产生双乙酰的能力不同，对双乙酰的还原能力也不同。强壮酵母数量多、代谢旺盛，双乙酰的还原速度快。繁殖期的幼酵母、贮存时间过长的酵母、使用代数过多的酵母、营养不良的酵母等还原双乙酰的能力弱，死亡的酵母没有还原双乙酰能力。  
  ②麦汁中氨基酸的种类和含量：麦汁中缬氨酸含量高可减少α-乙酰乳酸的生成，减少双乙酰的形成。  
  ③巴氏杀菌前啤酒中α-乙酰乳酸含量高，遇到氧和高温将形成较多的双乙酰。  
  ④生产过程染菌会导致双乙酰含量增高。如果生产污染杂菌，双乙酰含量明显增加，啤酒质量下降或造成啤酒酸败。  

  ⑤酵母细胞自溶后体内的α-乙酰乳酸进入啤酒，经氧化转化为双乙酰。

 (3)双乙酰的控制与消除方法  
  ①菌种   选择双乙酰产生量低的菌种；适当提高酵母接种量，双乙酰还原期酵母数不低
于7³106
个/100ml；使用酵母代数不要超过5代。  
  ②麦汁成分   在相同发酵条件下，麦汁中α-氨基氮含量对下酒时双乙酰含量有明显影响，见表4-2-2。麦汁α-氨基氮含量要求在180～200mg/L（12ºP啤酒），过高过低对于啤酒生产都不利，适当的α-氨基氮既保证有必须的缬氨酸含量，又对啤酒风味没有不利影响。控制溶解氧含量应在6～9mg/L，有利于控制酵母的增殖。麦汁含锌量一般为0.15～0.20mg/L，锌含量增加也有利于减少啤酒双乙酰含量。  
  ③酿造用水残余碱度应小于1.78mmol。残余碱度高将影响麦汁中的α-氨基氮含量。

   ④提高双乙酰还原温度   啤酒低温发酵可以减少发酵副产物的形成，保证啤酒口味纯正。提高双乙酰还原温度既可以加快α-乙酰乳酸向双乙酰的转化，同时又有利于双乙酰被酵母还原。由于α-乙酰乳酸转化为双乙酰是非酶氧化反应，反应速度缓慢，提高温度则可加快转化速度。研究发现，α-乙酰乳酸非酶氧化速度与双乙酰还原速度相差100倍，只有把发酵液中的α-乙酰乳酸尽快转化为双乙酰才能降低啤酒中双乙酰的含量。  

 ⑤控制酵母增殖量   α-乙酰乳酸是在酵母繁殖期间形成的，减少酵母的繁殖量才能减少α-乙酰乳酸的形成量，从而减少啤酒中双乙酰的生成量。故适当增加酵母接种量，有利于减少双乙酰的产生。 
  ⑥外加α-乙酰乳酸脱羧酶    该酶用于啤酒发酵过程，可将双乙酰的前驱体α-乙酰乳酸直接催化分解成3-羟基-2-丁酮（俗称乙偶姻）。在主发酵阶段，如果麦芽汁中没有足够的游离缬氨酸，酿造酵母将启动缬氨酸合成机制。在缬氨酸合成的生化途径中，α-乙酰乳酸是其前驱物，它很容易透出细胞进入培养液中。发酵过程中，发酵液中的α-乙酰乳酸被缓慢地氧化脱羧，产生大量双乙酰。若将α-乙酰乳酸脱羧酶加入麦芽汁，该酶通过迅速脱羧反应（非氧化反应）将α-乙酰乳酸转化为乙偶姻，它消除所有培养液中的α-乙酰乳酸使其不能转化为双乙酰。这样就会减少双乙酰的生成和双乙酰还原时间，缩短啤酒发酵周期1～3天。  
  ⑦加强清洁卫生工作，严格杀菌，定期做好微生物检查，避免杂菌的污染。  

 ⑧采用现代生物技术，利用固定化酵母柱进行后期双乙酰还原，这样既不影响啤酒传统风味，又加快了啤酒成熟，可使整个发酵周期大大缩短。 与本文相关的论文有：五阳煤矿应用阀门案例