啤酒发酵机制

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1、第二节 啤酒发酵机制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，从而得到具有独特风味的低度饮料酒。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。一、啤酒发酵的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。通过新陈代谢最 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高级醇、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

2、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高 级醇、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。（一）发酵主产物-乙醇的合成途径麦汁中可发酵性糖主要是麦芽糖，还有少量的葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽三糖等。单糖可直接 被酵母吸收而转化为乙醇，寡糖则需要分解为单糖后才能被发酵。由麦芽糖生物合成乙醇的生物 途径如下：总反应式1/2C12H22O1

3、2+1/2H2OC6H12O6+2ADP+2Pi2C 2H5OH+2CO2+2ATP+226-09kJ麦芽糖葡萄糖乙醇理论上每100g葡萄糖发酵后可以生成51.14g乙醇和48.86gCO2。实际上，只有96%的糖发 酵为乙醇和CO2, 2.5%生成其它代谢副产物，1.5%用于合成菌体。发酵过程是糖的分解代谢过程，是放能反应。每 1mol 葡萄糖发酵后释放的总能量为 226.09mol,其中有61mol以ATP的形式贮存下来，其余以热的形式释放出来，因此发酵过程中 必须及时冷却，避免发酵温度过高。葡萄糖的乙醇发酵过程共有12步生物化学反应，具体可分为4个阶段： 第一阶段：葡萄糖磷酸化生成己糖磷

4、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

5、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+38Pi6H 2O+6CO2+38ATP+281kJ 无氧下1/292电2012+1/2电076斗206+

6、2人0卩+2心2。2电0日+282+2人丁卩+226.9时 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a-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

7、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、繁殖和代谢副产物高级醇、双

8、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8001000mg/L左右，a-氨基氮含量 在150210mg/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（a-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

9、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，最终成品啤酒的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

10、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、高级醇类、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；高级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0.10.15mg/L, H2S含量5y/L, 二甲硫（CH3SCH3）,乙醛含量30mg/L，

11、高级醇7590mg/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最大，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唯一衡量指标。 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最低含量称为阈值）为0.10.2mg/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（

12、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a-乙酰乳酸（或a-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a-乙酰乳酸。a-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）。a-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a-乙酰乳酸。而a-乙

13、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，a-乙酰乳酸稳定不易氧化，而在pH过低时，a-乙酰乳酸则分解成乙偶 姻。（2）影响双乙酰生成的因素 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。 麦汁中氨基酸的种类和含量 麦汁中缬氨酸含量高可减少a-乙酰乳酸的生成，减少双乙酰的 形成。 巴氏杀菌前啤酒中a乙酰乳酸含量高，遇到氧和高温将形成较多的双乙酰。 生产

14、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。 酵母细胞自溶后体内的a-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 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7x106 个/100ml；使用酵母代数不要超过5代。 麦汁成分在相同发酵条件下，麦汁中a-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a-氨基氮含量要求在180200mg/L （12P啤酒），过高过低对于啤酒生产都不利， 适当的a-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69

15、mg/L，有利于控制酵母的增殖。麦汁含锌量一般为0.150.20mg/L，锌含量增加也有利 于减少啤酒双乙酰含量。 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a-氨基氮含量。 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a-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a-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，a-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a-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。 控制酵母增

16、殖量a-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a-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。 外加a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a-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，a-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a-乙酰乳酸被缓慢地氧化脱竣，产生大量双 乙酰。若将a-乙酰乳酸脱竣酶加入麦芽汁，该酶通过迅速脱竣反应（非氧化反应）将a-乙酰乳 酸转化为乙偶姻，它消除所有培养液中的a-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