（轻工技术与工程专业论文）硅胶在啤酒酿造中的应用研究.pdf

摘要 摘要 本论文针对啤酒行业目前主要使用进口硅胶，生产成本较高的现状，对硅胶质量评 价指标的建立、不同硅胶的使用效果、合理的硅胶应用工艺等作了比较详细的研究。 综合评价了硅胶产品对啤酒的非生物稳定性、过滤性能和泡沫稳定性等方面的影 响，引入了硅胶的应用系数a i 以综合评价硅胶的质量。 对三种进口硅胶和一种国产硅胶m t - b3 0 0 进行了系统研究，考察了它们的吸附性 能和生产性能，并采用硅胶质量指标a i 评价了硅胶的使用效果。研究结果表明：m t - b 3 0 0 硅胶能明显改善啤酒非生物稳定性，对啤酒泡沫没有负面影响，但它的颗粒稍大， 因而对敏感蛋白的吸附选择性稍差于个别进口硅胶。硅胶应用系数分析表明，采用 3 0 0 m g l m t - b3 0 0 硅胶可以既保证啤酒的非生物稳定性，又能够有效降低生产成本。 研究了p h 、酒精度、吸附时间和吸附温度对硅胶吸附效果的影响，结果表明：从 硅胶吸附的总体趋势上看，温度对硅胶吸附影响不大，硅胶吸附最合适作用p h 为3 旷4 o 之间，最合适酒精度为2 5 一3 ( v v ) ，吸附作用基本在1 0m i n 内完成。比较了分别在 麦汁煮沸、发酵过程中倒罐和啤酒过滤时添加硅胶对啤酒品质和生产性能的影响，结果 表明：硅胶在啤酒过滤与倒罐时添加，可以起到同样的作用效果。 关键词：啤酒，硅胶，非生物稳定性 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e r ea l em a i n l yi m p o r t e ds i l i c ag e l su s e di nt h eb r e w e r yi nc h i n an o w t h ep r o d u c t i o n c o s ti sh i g h 。a ne v a l u a t i o ns y s t e mo fq u a l i t yo fs i l i c ag e l s ，t h ee f f e c to fs i l i c ag e l so nb e e r b r e w i n gp r o c e s sa n dq u a l i t y , a n dt h ep r o p e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yw e r es t u d i e d t h ee f f e c t so fu s i n gs i l i c ag e l so nt h en o n b i o l o g i c a ls t a b i l i t y , f i l t r a t i o np r o p e r t ya n df o a m s t a b i l i t yo fb e e rw e r es t u d i e d t h ec o e f f i c i e n ta io fg e la p p l i c a t i o nw a si n t r o d u c e dt oe v a l u a t e t h eq u a l i t yo fs i l i c ag e l t h r e ek i n d so fi m p o r t e ds i l i c ag e l sa n dd o m e s t i cs i l i c ag e l ( m t - b3 0 0 ) w e r es t u d i e d t h e r e s u l t ss h o w e dt h a t ，c o m p a r e dw i t hi m p o r t e ds i l i c ag e l1a n ds i l i c ag e l3 ，m t - b3 0 0a l s oh a d t h eo b v i o u se f f e c t0 ni m p r o v i n gt h en o n b i o l o g i c a ls t a b i l i t yo fb e e r h o w e v e r , t h es e l e c t i v i t y a d s o r p t i o na b i l i t yo fs e n s i t i v ep r o t e i n so fm t - b3 0 0w a sa l i t t l ei n f e r i o rt ot h es i l i c ag e l1a n d 3 t h r o u g he v a l u a t i o no fa i ，m t - b3 0 0h a dg o o db r e w i n gp e r f o r m a n c et oi m p r o v e t h en o n b i o l o g i c a ls t a b i l i t yo f b e e r t h ep r o d u c t i o nc o s to f u s i n gs i l i c ag e lw a sc u td o w n t h ee f f e c to fp h ，a l c o h o lc o n t e n t ，a d s o r p t i o nt i m ea n da d s o r p t i o n t e m p e r a t u r eo n a d s o r p t i o np r o p e r t yo fs i l i c ag e l sw e r es t u d i e d 。t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ，t e m p e r a t u r eh a dl i r l e e f f e c to nt h ea d s o r p t i o np r o p e r t yo fs i l i c ag e l t h em o s ts u i t a b l ep hf o rs i l i c ag e lw a sb e t w e e n 3 0a n d4 0 t h es u i t a b l ea l c o h o lc o n t e n tf o rs i l i c ag e la d s o r p t i o nw a sb e t w e e n2 5 a n d3 o t h ea d s o r p t i o na c t i o nc o u l db ec o m p l e t e dw i t h i n1 0m i n t h es u i t a b l ea d d i n gt i m eo fs i l i c a g e lw a sf o u n d a sd u r i n gb e e rt r a n s f e r r i n ga n df i l t r a t i o np r o c e s s i ts h o w e dt h a tt h es a m ee f f e c t c o u l db ea c h i e v e db yt h e s et w om e t h o d s k e y w o r d s ：b e e r , s i l i c ag e l ，n o nb i o l o g i c a ls t a b i l i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名： 窘墨p 甘 日 期： 廷卜日 飙 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留，使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签名：惫霉鱼 垡盘垂查墨 导师签名： e l 期： z 。7 弓z1 第一章绪 论 第一章绪论 1 1 啤酒非生物混浊概述 澄清饮料在被消费者购买之前应当始终保持澄清透明。啤酒在贮藏过程中保持澄清 的性质称为啤酒非生物稳定性，造成啤酒非生物稳定性变差的原因有很多，如淀粉质、 戊聚糖以及草酸盐的结晶，而蛋白质与多酚形成的混浊则是啤酒中最常见的混浊。 虽然混浊敏感蛋白和多酚为何会具有混浊活性等方面的研究已经进行一段时间了， 但是最近研究得出的两者含量之比与形成混浊之间的关系，使人们对一些测定混浊活性 物质的方法原理以及一些稳定化处理方法的机理有了更深的理解。 1 1 1 啤酒非生物混浊 啤酒的混浊包括生物性混浊与非生物性混浊两类。非生物混浊主要包括冷雾浊和永 久性混浊( 又称氧化混浊) 。欧洲酿造协会对此的定义如下：冷雾浊主要是指那些在0 保藏时产生而当温度上升到2 0 后又溶解的混浊，永久混浊则是指那些在2 0 以上仍 不能溶解的混浊。 1 1 2 啤酒非生物混浊形成机理 蜇臼质+ 多酚 i丁 l ( 蛋白质) m ( 多酚) n 由氧、金属离子 低芝多解芝靴 ( 蛋白质) a ( 多酚) b( 蛋白质) x ( 多酚) v 冷雾浊永久混浊 图l - l 啤酒非生物混浊形成方式 f i g 1 - 1t h ep a t t e r no ff o r m i n gb e e rh a z e 从图l l 可以看出，啤酒的非生物混浊主要是由蛋白质和多酚物质( 单宁) 结合所 产生，在开始阶段，多酚与蛋白质的反应很微弱，形成的结合物很容易重新解离成游离 的蛋白质和多酚，是一个可逆过程。在氧和金属离子的作用下，多酚物质发生进一步的 氧化聚合，同时结合蛋白质的能力很快上升，且形成的结合物不易被解离，便形成了永 久性混浊。 1 1 3 多酚蛋白质反应模式 多酚与蛋白质的反应有s i e b e r t 反应模式与c h a p o n 平衡方程。 s i e b e r t 在实验的基础上，提出了一种蛋白质、多酚作用模式( 见图1 - 2 ) 。该模式 认为一个多酚物质最多能接两个蛋白质，如果啤酒中敏感蛋白过量，则每个多酚分子都 江南大学专业硕士学位论文 与两个蛋白分子作用形成二聚体，但不能进一步形成交联结构而产生混浊；如果敏感多 酚过量，则蛋白不能提供足够的结合点与之交联，形不成混浊；如果啤酒中混浊敏感蛋 白与混浊敏感多酚基本等量，含量也较高，就能形成大量混浊。即使是低分子量的多酚 以及简单酚，只要它们的浓度足够大，也能在蛋白质的表面形成疏水层而使蛋白质形成 沉淀【1 1 。 【多醐= 匮白朐 牲牲长 c 多聊t t 匮白厕 ，匡白质 图1 - 2s i b e r t 多酚和蛋白质反应模式图 f i g 1 - 2c o n c e p t u a lm e c h a n i s mo fp r o t e i n - p o l y p h e n o li n t e r a c t i o nb ys i e b e r t s i e b e r t 的多酚与蛋白质反应模式与c h a p o n 提出蛋白质哆酚平衡方程相一致： p + t 卜一p t ( 可溶性) 卜一p - t ( 不可溶) p ：蛋白质；t ：多酚 c h a p o n 认为，正常情况下，成品啤酒中p 、t 单体物质保持平衡；若除去待滤酒中 的p 或t ，则会使平衡向单体方向移动，增强啤酒的稳定性【2 】。 1 1 4 混浊敏感蛋白质 早些时候，研究人员就已经发现混浊啤酒中的混浊蛋白是大麦醇溶蛋白( 即一系列 醇溶的、富含脯氨酸的蛋白质，主要来自于啤酒大麦) ，此后对混浊蛋白的氨基酸分析 结果证实了这一观点【3 1 。啤酒中的混浊敏感蛋白由很多不同分子量的物质组成，说明啤 酒混浊蛋白不是来自于大麦中的醇溶蛋白，就是来自于一种或多种这类蛋白在糖化过程 中的水解物。 由于混浊蛋白富含脯氨酸，混浊物质产生量与蛋白多肽中脯氨酸摩尔含量成线性关 系【3 】( 见图1 - 3 ) ，而不含脯氨酸的蛋白多肽则不显示出混浊活性。尝试几种蛋白多肽后， 2 位质结置酚感多敏 栅 洧啪 甜 带点 一长 第一章绪论 结果均是如此，甚至把这些蛋白多肽与多羟基脯氨酸结合，也没有出现混浊【4 1 。此外， 多酚物质同蛋白质的结合能力还与多酚物质的聚合度有关，随着聚合度的增加，多酚物 质结合蛋白质的能力增加，形成混浊的能力也相应增加【5 1 ( 见图1 _ 4 ) 。 ，、 宦 警 0加 4 0 6 0 1 0 0 脯氨酸含量( m 0 1 ) 图1 3 脯氨酸含量与混浊物质产生量的关系 f i g 1 - 3r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em o l ep e r c e n to fp r a l i n ea n dh a z ef o r m e d ，- 、 u 【工】 、- ， 蜊 爱 0234 聚合度 图1 - 4 聚合度与混浊物质产生关系 f i g 1 - 4e f f e c to fd e g r e eo fp o l y m e r i z a t i o no nh a z ef o r m e d 1 1 5 混浊敏感多酚 单酚和绝大部分的单体多酚与敏感蛋白结合后均不产生混浊【6 】。但是一些二聚体以 上的花色素原具有很强的混浊活性，并且产生混浊的量随着聚合度的增加而增多。 多酚物质结合蛋白质的能力还与多酚物质所带酚羟基的数量以及酚羟基的相对位 置有关，邻位的酚羟基结合蛋白质的能力要高于间位的酚羟基，多酚物质所带酚羟基越 多，则结合蛋白质的能力越强【7 】( 见图1 - 5 ) 。 幻 加 0 6 4 2 o 8 6 4 2 0 江南大学专业硕士学位论文 0 宕2 j 乓 a 0卯 瑚 , i n - 盖7 5 1 0 0 0 l 234j 多酚物质含量( m o l f f - g ) 图1 5 不同多酚物质与蛋白质结合后释放的能量 f i g 1 - 5e n e r g yr e l e a s e dw h e np o l y p h e n o l sb o u n dt ob o v i n es e r u m a l b u m i n 啤酒中的混浊敏感多酚主要是由一系列的类单宁类物质构成，它们是儿茶素、表儿 茶素、蓓儿茶素的单体、二聚体、三聚体以及多聚体( 见图1 - 6 ) 。其中两种最重要的二 聚体原花色素物质：原花青素b 3 ( 儿茶素l 茶素) 、原花翠素b 3 ( 蓓儿茶素l 茶素) ( 见图1 - 7 ) 的含量与混浊的形成量呈线性关系( r _ o 9 6 5 ) 。如果按照图1 5 所述的结合力 关系，儿茶素和表儿茶素都有一个中等结合力位点和一个弱结合力位点。蓓儿茶素应该 有一个强结合力位点和一个弱结合力位点。原花青素b 3 ( 儿茶素l 茶素) 应该有两个 中等结合力位点和两个弱结合力位点，而原花翠素b 3 ( 蓓儿茶素l 茶素) 则有一个强 结合力位点、一个中等结合力位点和两个弱结合力位点，因此原花翠素b 3 1 ：匕原花青素 b 3 有更强的混浊活性【8 】。 h o h ( + 卜c a t e c h i n h h b h o h ( - ) - e p i c a t e c h i n o h g a l l o c a t e c h i n 图1 啤酒中主要的原花色素单体结构 f i g 1 - 6s t r u c t u r e so f t h ep r o a n t h o c y a n i d i nm o n o m e r st y p i c a l l yf o u n di nb e e r 4 第一章绪论 。托0 1 4 p m c y a n i d mb 3 p z o d e i p h i m d i n1 3 3 图1 - 7 啤酒中主要的二聚体多酚物质( 原花青素b 3 与原花翠素b 3 ) 结构 f i g 1 - 7s t r u c t u r e so fp r o c y a n i d i nb 3a n dp r o d e l p h i n i d i nb 3 ，t h ep r o m i n e n tp r o a n t h o c y a n i d i nd i m e r s i n b e e r 1 1 6 混浊物质形成模式 混浊物质的形成要经过两个时则9 1 ，第一个阶段，样品的浊度几乎保持不变，到第 二个阶段，样品的浊度呈线性增加。在开始阶段，蛋白质多酚结合物不足够大，因此 保持可溶状态，同时，其他化学反应却在不断的进行，当蛋白质多酚结合物至足够大 的时候，就会析出而产生混浊，使浊度线性增加。 m c g u i n n e s s 和g a r d n e r 提出了两种可能的机理( 见图1 - 8 ) 。一种是：由于多酚物质 的氧化聚合，分子量变大，使得其更容易与蛋白质发生反应而产生混浊。另一种是由于 多酚被某种物质活化，使其更容易与蛋白质发生反应，而产生混浊。有人通过采用放射 性同位素示踪显示，表儿茶素在啤酒中并不发生聚合【l o l ，只产生少量的混浊，但是二聚 体的儿茶素却很容易与蛋白质结合产生混浊，似乎第一种机理的可能性大一点。 d e r d e l i n c k x 和j e r u m a n i s 发现二聚体的原花色素在啤酒或麦汁中会发生解聚， m c g u i n n e s s 等人研究发现，在溶氧很低的情况下，高二聚体儿茶素含量的啤酒可以有 很长的货架期( 即非生物稳定性高) ，同样高溶氧的啤酒，如果二聚体儿茶素含量很低， 也可以有很长的货架期，似乎又支持第二种假设。到底是哪一种机理的可能性更大，还 有待进一步的研究工作。 单酚 上 聚合( 机理复杂) 聚合酚 多种蛋白质 蛋白质多酚结合物 j r 结合及“长大” 混浊物 聚合酚 l活化( 氧化过程) 活性多酚物质 i l 多种蛋白质 ， 蛋白质哆酚结合物 i i 结合及“长大” ， 混浊物 图1 8 两种可能的混浊形成模式 f i g 1 - 8p o s s i b l em e c h a n i s m sa c c o u n t i n gf o rh a z ed e v e l o p m e n ti nb e e r 5 江南大学专业硕士学位论文 1 2 啤酒非生物稳定剂 除了可以通过改良酿造工艺以提高啤酒的非生物稳定性，还可以采用各种稳定剂来 达到同样的目的，比如卡拉胶、硅胶、单宁、p v p p 以及蛋白酶等。 1 2 1 卡拉胶 卡拉胶是一种从海藻中提炼的高分子聚合碳水化合物，卡拉胶的作用机理是其阴离 子基团可与麦汁中带正电荷的高分子蛋白质通过静电吸引形成结合物，并迅速促使各种 微小蛋白质凝聚成大片絮状物，以加快沉降。 卡拉胶一般在麦汁煮沸或回旋沉淀时添加，添加量在3 0m g l ，可以很好地去除麦 汁中的热凝性物质，但对成品啤酒中的蛋白质组分影响不大。一般与其他麦汁澄清剂一 起使用。 1 2 2 硅胶 啤酒硅胶有两种类型，一种是水硅胶，含有约7 0 水分；另一种是干硅胶，含有约 5 水分。使用水硅胶可以减少啤酒企业的粉尘污染。两种类型的硅胶都具有多孔结构， 表面覆盖着硅羟基( s i o h ) 基团，这些基团键合蛋白质的脯氨酸位置的能力相当强，因 此，硅胶对敏感蛋白的吸附具有很强的专一性。而硅胶对啤酒中的泡沫蛋白的吸附能力 不是很大，只有当硅胶用量过大的时候，才可能吸附一些泡沫蛋白，进而导致啤酒泡沫 性能降低。因此硅胶使用量一般在5 0 0m g l 以下。硅胶可以同其他啤酒非生物稳定剂 同时使用。 1 2 3 单宁 单宁是与多酚类物质具有十分相近结构的黄烷醇类物质聚合体。酿造过程中加入单 宁相当于增加了敏感多酚的含量，它与蛋白质发生作用而形成更多的混浊沉淀。单宁产 品主要包括两种：单宁b 和单宁r ，分别在糖化麦汁煮沸和啤酒过滤时添加，用量一般 在3 0 7 0 m e j l 之间。 单宁的分子量大小及其分布不一，可能影响到蛋白质的去除效果，这是在选择和使 用单宁类物质时特别需要注意的方面。此外，使用单宁处理会形成凝胶状沉淀，啤酒酒 损增大，且用单宁处理后，啤酒还需要低温贮藏一段时间，以防止过滤时造成堵塞。如 果过量添加单宁，会对啤酒的泡沫和风味造成不良的影响【1 1 】。 1 2 4p v p p 聚乙烯聚吡咯烷酮( p 0 1 ) i n y l p o l y p y 盯o l i d o n e ，简称p v p p ) 是一种经提纯的乙烯吡 咯烷酮均聚物在催化条件下，通过聚合和交联作用所得的一种聚合物。 在p v p p 分子结构中存在着与聚合度相同数量的酰胺键，而p v p p 吸附机理就是通过 和啤酒中的多酚物质以氢键结合以达到吸附的目的，啤酒中的类单宁物质的分子量在 5 0 0 - 3 0 0 0 ，主要是低聚多酚、花色苷类物质，含有较多的酚羟基，酚类物质结构中的碳 原子和氧原子的p 电子对可以形成共轭的大7 【键，使酚羟基上的氢原子带上正电荷，极易 与p v p p 的酰胺键作用，因此：p v p p 可以特异性吸附啤酒中的单宁类多酚物质。 6 第一章绪论 p v p p 一般在啤酒过滤时添加，与啤酒接触时间短，p v p p 一般分为两种，可再生型 p v p p 和不可再生型p v p p ，一般用量分别为5 0 0m g l 和1 0 0 2 0 0m g m 。可再生型p v p p 使 用一次损失在4 一6 。使用p v p p 后增加的高成本导致了其在啤酒行业的应用受到很大 的阻碍。 1 2 5 蛋白酶 添加蛋白酶主要是分解啤酒中的蛋白质，所形成的多酚蛋白质复合物也相应减少， 不容易产生沉淀。蛋白酶一般在糖化过程中添加，添加量一般在2 0 m g l - 3 0 m g l 。蛋白 酶本身也是蛋白质，过量添加反而会增加啤酒混浊程度。同时由于蛋白酶也可以切割啤 酒中的泡沫蛋白，影响啤酒泡沫稳定性，生产中又要添加啤酒泡沫稳定剂，所以宜慎重 使用蛋白酶。 1 3 硅胶在啤酒生产中的应用 硅胶在很多方面都有应用，在工业、农业、第三产业、信息产业方面都有应用。1 9 6 1 年，德国斯丹比克公司的k a r l 博士首先发现硅胶可以在啤酒中使用，用来提高啤酒保 质期。生产硅胶的过程就是让硅酸钠与硫酸或盐酸起反应，所产生的硅聚合物慢慢增大， 最终连结形成胶状。将这种硅胶破碎并碾磨，使其成为特定大小的颗粒，从而能最有效 地用于啤酒酿造中。 硅胶处理啤酒的优点是对敏感吸附能力很强，形成凝聚物后再经过滤，即可除掉混 浊成分；吸附速度快，同啤酒接触短时间后，便可完成吸附作用；无毒无味、不会影响 啤酒的泡沫与风味。由于有效除掉啤酒中的杂质，因此能使啤酒口味更加纯净；能同其 他添加剂或吸附剂( 硅藻土、p v p p 、抗氧化剂和蛋白酶等) 配合使用；可利用原有设 备、操作简单。硅胶性质稳定，不溶于水，可长期贮存【1 2 1 。 1 3 1 硅胶的种类和性质 啤酒的非生物稳定性处理中所用的硅胶应具有以下性质： ( 1 ) 表面上的硅烷基应该能够选择性地吸附蛋白质或蛋白质和多酚的复合物； ( 2 ) 具有特定的微孔结构、微孔孔径、比表面积和一定的含水量； ( 3 ) 一定的p n 。 具有这些性质的硅胶才有良好的吸附作用，而且无损于啤酒的原有风味、泡沫和香 味。目前国外使用的硅胶种类主要有干硅胶、水硅胶和混合型硅胶。 1 3 2 硅胶的生产 近年来国外对啤酒专用硅胶的生产方法进行了广泛、深入研究，取得了理想的结果。 基本生产方法是：使硅酸盐( 硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂等) 和酸( 硫酸、盐酸、硝酸等) 进行反应，生成二氧化硅溶胶，再于疏水性有机溶剂中进行乳化、然后使其凝胶化，亦 可用热风喷雾干燥，生产出硅胶。此外，当硅溶胶在胶化成水凝胶悬浮液后，再经湿粉 碎、喷雾干燥，亦可生产出硅胶。 7 江南大学专业硕士学位论文 1 3 3 啤酒的硅胶处理 ( 1 ) 煮沸锅内添加 啤酒厂比较倾向于在煮沸锅内使用添加剂或生产助剂。在该过程中使用硅胶具有两 个优势：一是操作方便；二是不会造成微生物的污染。 ( 2 ) 倒罐时添加 采用快速发酵工艺或者使用较差质量的麦芽生产啤酒时，在发酵倒罐时添加硅胶， 可以加快啤酒的澄清，缩短后贮时间。形成混浊的蛋白质被硅胶吸附，减少了沉淀的产 生。 ( 3 ) 硅藻土过滤时添加或在过滤机前的缓冲罐内添加 啤酒在经过硅藻土过滤时，进行稳定处理是提高保质期的常用方法。硅胶的颗粒分 布和整体结构保证了优良的稳定性和非常好的过滤性能。使用硅胶后，还可以适当减少 硅藻土的添加量。一般在最后一次硅藻土预涂时，按3 0 - 5 0g 硅胶平方米过滤面积的用 量添加，与硅藻土的流加同时进行。 另外，也可以在过滤机前的缓冲罐内添加硅胶，可以增强硅胶的作用效率，同时提 高稳定处理的经济性，减少使用成本。借助单独的添加罐将硅胶按照一定的流速添加到 啤酒管道中。缓冲罐的容积一般约为硅藻土过滤机的单位过滤能力的5 0 ，以保证硅胶 与啤酒的接触时间不少于1 5m i n 。 1 - 3 4 硅胶与其他啤酒稳定剂的配合使用 ( 1 ) 硅胶与蛋白酶配合使用 硅胶与蛋白酶配合使用是一项非常有效的处理方法。硅胶的添加量可以减少 2 5 。5 0 。蛋白酶可以添加在过滤后的清酒中，也可以在前酵与后酵之间的倒灌过程中 添加，添加量为2 0 - 4 0m g l 。如果添加到清酒中，必须考虑蛋白酶在啤酒中残存的活性 应尽可能的低。采用这种技术，必须要对啤酒进行巴氏杀菌或者瞬时杀菌以灭酶活性。 ( 2 ) 硅胶与p v p p 配合使用 采用这种工艺，能够吸附掉啤酒中一部分高分子敏感蛋白和敏感多酚。硅胶与过滤 时的硅藻土一起加入到啤酒中。清酒用p v p p 再进行稳定性处理，p v p p 被截留在后面 的p v p p 过滤机内1 3 1 。 1 4 立题背景和意义 随着人民生活水平的提高，啤酒的消费量逐年增大，啤酒产量也稳步上升，2 0 0 8 年我国啤酒产量已经超过4 0 0 0 万千升。在啤酒生产旺季，啤酒供不应求，啤酒生产企 业为了增加产量，往往缩短啤酒贮酒时间，这就带来了一系列的啤酒质量问题，包括啤 酒非生物稳定性问题、啤酒风味问题等，企业为了保证啤酒非生物稳定性，需要向啤酒 中添加稳定剂。但是随着消费者对食品安全关注度的与日俱增，啤酒行业内原来所习惯 添加的成本低廉的非生物稳定剂已被越来越多的啤酒企业所抛弃。因此，寻求一种高效、 安全、价格相对价廉的啤酒非生物稳定剂就成为了各大啤酒生产企业的目标。硅胶由于 8 第一章绪论 其突出的物理化学性质，正引起越来越多的啤酒企业的关注与使用。 目前，市场上硅胶产品种类繁多，不但有进1 5 1 产品，也有国产硅胶，价格也相差较 大。进口硅胶对市场的垄断大大增加了啤酒企业的生产成本。如何挑选适合自己企业使 用的硅胶是摆在啤酒企业面前的一个主要的技术与经济问题。啤酒企业的生产原辅材料 变化较快、较大，导致啤酒酿造工艺时常需要调整，因此需要选用合适的、具有普遍性 作用效果的硅胶，以满足啤酒企业的需要。另外，如何有效降低因使用硅胶后而增加的 生产成本，使之在啤酒企业可接受的范围内，也是非常重要的。目前啤酒企业缺乏评价 硅胶产品的方法，啤酒企业在选择硅胶时感到具有一定的盲目性，所采用的硅胶添加量 均是根据硅胶生产企业推荐的用量，一般使用成本也高。 本论文系统研究硅胶的吸附性质和作用效果，旨在探索出啤酒企业能接受的硅胶质 量评价体系，使啤酒企业在使用硅胶产品时更加主动，同时，尽量降低使用硅胶的成本， 为国产化硅胶的推广应用提供参考。在此基础上，在大生产规模下，研究合适的硅胶添 加工艺，以提升啤酒品质。 1 5 本课题研究的内容 本课题拟在以下几个方面进行研究： ( 1 ) 建立硅胶的质量评价体系。 ( 2 ) 评价不同硅胶用于啤酒酿造的效果。 ( 3 ) 硅胶添加工艺对其作用效果的影响。 9 第二章硅胶评价指标的建立 第二章硅胶评价指标的建立 2 1 前言 硅胶是一种高活性吸附材料，属非晶态物质，其化学分子式为m s i 0 2 n h 2 0 。不溶 于水和任何溶剂，无毒无味，化学性质稳定，除强碱、氢氟酸外不与任何物质发生反应。 大小不等的二氧化硅在空间堆积形成硅胶骨架。堆积时粒子间的空隙即为硅胶的孔隙。 硅胶中含有吸附水与结构水，后者以羟基的形式和硅原子相连而覆盖于硅胶表面。各种 型号的硅胶因其制造方法不同而形成不同的微孔结构，具有不同的性质和作用性能。硅 胶的化学组分和物理结构，决定了它具有许多其他同类材料难以取代的特点：吸附性能 高、热稳定性好、化学性质稳定、有较高的机械强度等。 硅胶主要是作为一种浑浊蛋白吸附剂应用于啤酒中，故其吸附性能必然作为评价硅 胶质量的一项指标。然而，当啤酒在室温或低温下储藏时，冷混浊需要数月才会发生。 因而需要通过实验来测定啤酒中敏感蛋白的含量或加速冷混浊的形成，进而来评价硅胶 对改善啤酒非生物稳定性的效果。目前，采用得比较多的方法主要有强制老化法和饱和 硫酸铵沉淀法。 本章首先对硅胶的吸附专一性进行研究，然后分别采用不同测定方法对啤酒的非生 物稳定性进行预测，评价硅胶作为敏感蛋白吸附剂、非生物稳定性改良剂的吸附性能。 同时从过滤性能、泡沫稳定性等方面对硅胶作用效果进行综合评价，以建立评价硅胶的 综合体系。 2 2 材料与方法 2 2 1 试剂与设备 硅胶：国外进口；柠檬酸铁铵：s i g m a 公司；羧甲基纤维素、硫代巴比妥酸和硫酸 铵等均为化学纯，国药集团化学试剂有限公司。 浊度仪：中轻机造纸机械集团公司；凯式定氮仪：瑞士f o s s 公司；泡沫测定仪： 荷兰h u f f m a n 公司。 2 2 2 强制老化试验法 将经过硅胶处理的啤酒装瓶、压盖，于0 保藏1 天，然后置于6 0 下保藏1 天为 一个周期，测定浊度，周期循环直到浊度达到2e b c ，一个周期相当于1 个月的保质期。 2 2 3 饱和硫酸铵沉淀法 在浊度杯中加入定量的啤酒，每分钟加入一定量的饱和硫酸铵溶液，开始阶段加 量可以稍大，在浊度快出现突变时，改为少量加入，边加边在磁力搅拌器上搅拌均匀。 分别以饱和硫酸铵液毫升数和啤酒浊度为纵坐标和横坐标，作出曲线，图上的浊度突变 点，即s a s p l 值。该值愈高，则啤酒的非生物稳定性愈好。 江南大学专业硕士学位论文 2 2 4 啤酒保质期常温实验法 见参考文献【1 4 】。 2 2 5 啤酒泡沫稳定性的测定 采用h u f f m a n 泡沫测定仪，结果以n i b e m 值表征( s ) 。 2 2 6 啤酒浊度的测定 见参考文献【1 4 】。 2 2 7 总氮的测定 见参考文献1 1 4 1 。 2 2 8 隆丁区分 见参考文献 1 4 1 。 2 2 9 硅胶吸附蛋白氨基酸的测定 取0 5g 硅胶放入ll 啤酒中，吸附1 0m i n ，期间不断搅拌，然后用普通滤纸过滤， 硅胶残留在滤纸上，再用2 的氨水洗脱，用氨基酸分析仪测定其氨基酸组成。 2 3 结果与讨论 2 3 1 硅胶吸附专一性的研究 2 3 1 1 隆丁区分法 不同添加量的硅胶吸附后，啤酒中总氮含量的变化情况见图2 1 。从图2 一l 可以看 出，采用硅胶处理后，啤酒的总氮含量下降了，且硅胶添加量越大，啤酒的总氮含量越 低。按分子量大小，将啤酒中的蛋白质分成a 、b 和c 三个区分，a 区分蛋白质是与啤 酒非生物稳定性有着密切的联系，啤酒泡沫与b 区分蛋白质密切相关。因此，硅胶吸附 是否主要除去和啤酒混浊有关的混浊蛋白质还需进一步验证【1 5 1 。 4 6 0 1 0 02 0 03 0 d4 0 05 0 06 硅胶添加量( r a g l ) 图2 1 不同添加量的硅胶吸附后啤酒总氮变化情况 1 2 够甜钙舵仉帕剪弼 (iioo_暑1)嘲舡球硇 第二章硅胶评价指标的建立 f i g 2 - 1c h a n g e so ft o t a ln i t r o g e ni nb e e rw i t hd i f f e r e n td o s a g eo fs i l i c ag e la d s o r p t i o n 硅胶表面覆盖着硅羟基基团，这些基团键合蛋白质的脯氨酸位置的能力相当强，因 此，硅胶对敏感蛋白的吸附有很强的专一性。而通过硅胶吸附后的一些指标如蛋白质区 分的变化情况，可以从一个侧面看出硅胶对敏感蛋白吸附的专一性程度。图2 - 2 表示不 同添加量硅胶吸附蛋白质后，啤酒中蛋白质隆丁区分变化情况。 薯 墨 曹 、- ， 求 邕 路 皿 l 墨i 01 0 0 刀的3 0 04 0 05 0 06 0 0 硅胶添加量( r a g l ) + a 区分- - 4 ) - - b 和c 区分 求 垂量 星量 嘟 图2 - 2 添加不同数量硅胶后啤酒中蛋白质隆丁区的分变化情况 f i g 2 - 2c h a n g e so fp r o t e i np a r t i t i o ni nb e e ra f t e ra d s o r p t i o nb yd i f f e r e n td o s a g eo fs i l i c ag e l 由图2 - 2 可知，在添加量小于6 0 0m g l 时，硅胶吸附蛋白质后，啤酒a 区分的蛋 白质含量迅速下降，而b 区分和c 区分的蛋白质总含量基本上保持不变，只有在添加 量很大的情况下才略有下降。而a 区分蛋白质是与啤酒非生物稳定性有着密切的联系， 从这一点上说，硅胶吸附的主要是造成啤酒混浊的那部分蛋白质，对啤酒泡沫影响是很 小的。 2 3 1 2 氨基酸分析法 由于敏感蛋白质的多酚结合位点是脯氨酸残基，因此可以对硅胶所吸附的蛋白质进 行氨基酸分析，来评价硅胶对敏感蛋白质的吸附专一性，比较硅胶吸附蛋白质的脯氨酸 含量。脯氨酸含量越高，则硅胶吸附蛋白质中敏感蛋白的含量越高，对敏感蛋白的吸附 专一性就高【1 6 】。对啤酒工厂用的两种硅胶吸附蛋白质的氨基酸进行分析，结果如图2 - 3 所示。 从图2 - 3 可知，硅胶吸附蛋白质与啤酒总蛋白相比，脯氨酸含量明显要高出许多， 硅胶1 和2 吸附蛋白质的脯氨酸含量达到了1 5 2 l 和1 7 3 4 ，而啤酒总蛋白只有7 5 5 ， 说明硅胶吸附蛋白质中富集了大量的混浊敏感蛋白，硅胶表现出对敏感蛋白的选择性吸 附，这一点是其他蛋白质吸附剂所欠缺的。同时，不同硅胶对敏感蛋白的吸附选择性差 异也比较明显，因此，可以考虑把吸附蛋白质的脯氨酸含量作为评价硅胶产品质量的一 个参考性指标。 江南大学专业硕士学位论文 - - ： l l i 胁匪朗阑酮豳豳圉n 孰胡1i冒 a s po t us e r h i sob ，t i ta 叼a l at y rc y sv a lm e t p h el e i e u u v s p r o 氨基酸 口硅胶l口硅胶2 日啤酒总蛋白 图2 - 3 硅胶吸附蛋白质的氨基酸分析结果 f i g 2 - 3a m i n oa c i da n a l y s i so fp r o t e i na d s o r b e db ys i l i c ag e l 2 3 2 硅胶吸附对非生物稳定性的影响 预测啤酒保质期的方法有多种，但啤酒是复杂的胶体溶液，造成啤酒非生物混浊的 物质有高分子蛋白质、多酚、氧、金属离子、b 前聚糖、糊精、树脂等，因此，用简 单的某种方法来判别啤酒的保质期可能是不够的，需要综合考虑。 2 3 2 1s a s p l 法 s a s p l 法是预测啤酒保质期的方法之一。即取一定量的脱气啤酒，加入饱和硫酸铵 溶液，检测浊度，找出浊度突变点，然后根据消耗饱和硫酸铵溶液的量来确定啤酒的保 质期，一般消耗硫酸铵溶液越多的啤酒，s a s p l 值越大，其保质期相对较长。不同添加 量的硅胶吸附后啤酒s a s p l 变化情况如图2 4 所示。 书 、- 捌 磊 蒉 o1 0 02 3 0 0 4 i d 0 5 0 06 0 0 硅胶添加量( r a g l ) 图2 1 4 添加不同数量的硅胶后啤酒s a s p l 变化情况 f i g 2 - 4c h a n g e si ns a s p l w i t hd i f f e r e n td o s a g eo fs i l i c ag e la d s o r p t i o n 1 4 石 扣 侣 们 5 0 菡星v喇如雒焖城 药 笱 扣 ：2 m 5 o 第二章硅胶评价指标的建立 由图2 _ 4 可以看出，在添加量小于4 0 0 m g l 时，s a s p l 值变化较大，在添加量大于 4 0 0m g l 时s a s p l 值变化相对较小。s a s p l 值和硅胶的添加量呈现高度的相关性，这 可能是因为一方面s a s p l 采用的是“盐析 的原理【1 7 】，在蛋白质的亲水胶体溶液中， 极性的蛋白质分子外被水膜包围并吸附一定的电荷，在胶体溶液中暂时稳定存在。当加 入电解质后，首先电解质电离的离子中和了蛋白质分子电荷，同时电解质溶解作用而破 坏了蛋白质外被的水膜，随着电解质加入量的逐渐增加，蛋白质分子间碰撞作用，促使 蛋白质分子相互聚合的几率大大加强而沉降出来；另一方面，硅胶具有微孔结构，是一 种高活性吸附材料，属非晶态物质，物理，化学性质稳定，硅胶吸附啤酒中的蛋白质， 显著减少啤酒中的蛋白质含量，从而达到提高啤酒非生物稳定性的目的。在一定范围内， 随着硅胶添加量的增加，去除蛋白质的量也会逐渐增多，因此，饱和硫酸铵滴定试验的 s a s p l 值与硅胶加入量高度相关。 2 3 2 2 强制老化试验法 图2 5 为不同添加量的硅胶处理后，啤酒强制老化后浊度变化情况，可以看出，硅 胶处理后，啤酒的非生物稳定性有了很大改善。随着硅胶添加量的增加，强制老化后， 啤酒浊度要小很多，且硅胶添加量越大，啤酒越稳定，当添加量在4 0 0m g l 以上时啤 酒已经基本上稳定。 01 0 02 0 03 0 04 0 0 5 0 0 6 0 0 硅胶添加量( m g l ) 图2 - 5 不同添加量硅胶处理的啤酒在强制老化循环周期的变化 f i g 2 - - 5c h a n g e si nt u r b i d i t ya f t e ra c c e l e r a t e dt e s tw i t hd i f f e r e n td o s a g eo fs i l i c ag e la d s o r p t i o n 2 3 2 3 常温测试法 图2 - 6 为啤酒被不同添加量的硅胶吸附后，常温放置后，啤酒保质期的变化情况， 可以看出，经过硅胶吸附后，啤酒的非生物稳定性有了很大改善。硅胶添加量越大，啤 酒越稳定，测试结果与2 3 2 2 强制老化试验结果一致。当添加量高于4 0 0m g l 时，硅 胶对啤酒保质期的改善效果不明显。 8 7 6 5 4 3 2 暴叵酶牾 江南大学专业硕士学位论文 o1 0 02 0 03 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 硅胶添加量( m g l ) 图2 - 6 不同添加量硅胶处理后对啤酒保质期的影响 f i g 2 - 6c h a n g e si nt h es h e l fl i f eo fb e e r w i t hd i f f e r e n td o s a g eo fs i l i c ag e la d s o r p t i o n 2 3 3 硅胶添加对啤酒过滤性能的影响 图2 - 7 为不同添加量的硅胶处理后，啤酒过滤性能的变化情况。硅胶的渗透性能非 常重要，因为任何硅胶的渗透性越差，过滤层就越紧，因此可以阻止一些蛋白质渗透进 入过滤后的啤酒，从而减少冷混浊的形成；但是过滤层太紧又会影响啤酒的过滤速度， 从而降低过滤量。 q 昌 若 b d 蟹 、- ， 枷 崩 龄 捌 02 468 过滤时间( h ) 一0 x 1 0 0 一2 0 0 一3 0 0 + 4 0 0 x 一5 0 0 + 一6 0 0 图2 - 7 不同添加量的硅胶对啤酒过滤压差的影响 f i g 2 - 7c h a n g e si nb e e rf i l t e r a b i l i t yw i t hd i f f e r e n td o s a g eo fs i l i c ag e la d s o r p t i o n 图2 - 8 为不同添加量的硅胶处理后，平均过滤量的变化情况。由图2 8 可知，随着 添加量的增加，平均过滤量即过滤速度有所下降。硅胶的过滤性能对生产负荷及生产成 本的影响很大，因此，硅胶的过滤性能也应把其作为评价硅胶产品质量的指标之一。 1 6 8 7 6 5 4 3 2 l o 皿v 器峰账 5 4 5 3 5 2 5 l 5 0 第二章硅胶评价指标的建立 号 v 咖 辫 趔 露 睁 01 0 02 0 03 ( 3 04 0 05 0 06 0 0 硅胶添加量( r a g l ) 图2 不同添加量的硅胶对过滤量的影响 f i g 2 - 8c h a n g e si nf d t e rc a p a c i t yw i t hd i f f e r e n td o s a g eo fs i l i c ag e la d s o r p t i o n 2 3 4 硅胶添加对泡沫稳定性的影响 2 4 0 2 翁2 0 0 趟1 8 0 摧1 6 0 羹4 0 1