啤酒发酵技术讲义.ppt

第四章啤酒发酵 第一节酵母及发酵机理一 啤酒酵母 一 啤酒酵母种类上面酵母 多特蒙德酵母 E酵母 776酵母 荷兰酵母等 如啤酒酵母 15 22 长卵形 椭圆形等 长宽比1 2 易形成假菌丝下面酵母 啤酒酵母 萨士型啤酒酵母 弗罗倍尔型啤酒酵母 青岛酵母等 如卡尔斯伯酵母6 5 13 圆形 卵圆形 椭圆形 8 5 6 5 m 可同化葡萄糖 果糖 蔗糖 麦芽糖 麦芽三糖 半乳糖 棉子糖 蜜二糖 二 凝聚性 Flocculation 啤酒酵母的凝聚特性是重要的生产特性 它会影响酵母回收再利用于发酵的可能 影响发酵速率和发酵度 影响啤酒过滤方法选择乃至影响到啤酒风味粉末型酵母 发酵结束时 酵母单个或数个悬浮在液体中 即使沉淀轻震荡浮起 凝聚型酵母 达到某发酵度酵母凝结沉淀 即使打散结块 短时间又结块 不能酿造高发酵度啤酒 弱凝聚型酵母 或絮凝性酵母 介于上述两者之间 三 酵母性能的评估指标1 形态要求 细胞形态大小等 2 生理学要求 繁殖速度 与酵母种类 培养温度有关 增殖倍数和细胞浓度 3 发酵力要求 麦汁极限发酵度 指最有利发酵温度25 27 时可发酵糖的最大发酵程度 起酵速度 接种后度过滞缓期的速度 指出现白沫的快慢 发酵速度 主发酵期每天的降糖速度 一般为2 3 p d 啤酒主酵发酵度 麦汁极限发酵度和啤酒发酵度 F极 F啤 F5 的啤酒口味粘稠不爽口 有甜味 4 凝聚性和沉淀能力5 双乙酰峰值 好的为0 3 0 4mg L 高的达0 7 1 0mg L 和还原速度6 挥发性风味物质7 酵母对压力的耐受性8 酵母的稳定性 传代 9 主酵液和成品啤酒的风味10 啤酒的泡沫特性 起泡性 颜色 细密度 持久性 粘着力等 四 酵母的培养 最适温度31 34 例酵母扩培过程 斜面种子液体试管三角瓶液体培养小卡氏罐培养大卡氏罐 或汉生罐 培养一级繁殖罐二级繁殖罐发酵 28 10 4000L11 12 1000L12 13 250L13 15 15L20 25 卡氏罐 螺纹密封圈 接种头 取样阀 手柄 空气过滤器 体积为10L 25L 卡氏罐酵母培养流程 冷却接种 100 200ml 间隔通无菌空气培养 装50 80 连续增殖的酵母扩培设备 培养过程 将1 3麦汁送入灭菌繁殖罐 借无菌空气经取样阀把卡氏罐的酵母压入繁殖罐 通风 冷却 培养至高泡期 补入1 3麦汁继续培养 再次培养至高泡期再补入1 3麦汁 培养48h结束后 大部分打入发酵罐 留下少量做下一次培养的接种酵母 特点 简单经济 投资少 生长快 但有染菌风险 二 啤酒发酵机理影响啤酒质量的主要因素 麦汁组成成分 啤酒酵母的品种和菌株特性 投入发酵的酵母数量和质量状况 以及在整个发酵中酵母细胞生活状况 发酵容积的几何形状 尺寸和材料 它会影响到发酵流态和酵母的分布 二氧化碳排出 发酵工艺条件 pH 温度 溶氧水平 发酵时间 这些影响因素的重要次序受啤酒类型和各工厂酿造情况而显著差别 灌装 灭菌过程 风味的改变 一 糖类发酵 啤酒麦汁的浸出物中糖类占90 其中单糖 葡 果 约占糖类10 蔗糖占5 麦芽糖40 50 麦芽三糖10 15 DP4 DP8的寡糖20 25 还有少量的戊糖 戊聚糖 葡聚糖 异麦芽糖 啤酒酵母的可发酵糖和发酵顺序是 葡萄糖 果糖 蔗糖 麦芽糖 麦芽三糖 葡萄糖阻遏效应 当麦汁中含有高于0 2 0 5 葡萄糖浓度时 葡萄糖会抑制酵母分泌麦芽糖渗透酶 抑制麦芽糖的发酵 只有当葡萄糖浓度低于0 2 时 抑制解除 麦芽糖才能开始发酵 这称之为 葡萄糖阻遏效应 巴士德效应 啤酒酵母对各种可发酵性糖类的发酵均是通过EMP途径代谢生成丙酮酸后 进入无氧酶解或有氧TCA循环 酵母在有氧TCA循环可获得更多生物能 38ATP 此时无氧发酵代谢就会抑制 这种抑制厌氧发酵代谢称为 巴士德效应 反巴士德效应 在发酵基质 麦芽汁 中含有较高的葡萄糖 包括果糖 0 4 1 0 分子氧存在不能抑制发酵 有氧呼吸反而受到一定抑制 这称 反巴士德效应 因此在麦芽汁接种酵母后主要是无氧酵解途径 也存在少量有氧呼吸代谢 二 麦汁含氮物质的转化啤酒发酵初期 接种啤酒酵母必须通过吸收麦汁中含氮化合物 用于合成酵母细胞蛋白质 核酸和其他含氮化合物 繁殖细胞 啤酒酵母只能分泌少量的蛋白酶 因此 啤酒酵母只能从麦汁中吸收氨基酸 二肽 三肽等肽氮化合物 而且二肽三肽的吸收能力很低 其吸收是依赖于细胞壁分泌一系列的氨基酸输送酶 氨基酸的利用按一定顺序 三 发酵副产物的形成和分解包括 生青味物质 双乙酰 醛 硫化物 这类物质使啤酒不纯正 不成熟 不协调 芳香物质 高级醇 酯 决定啤酒的香味 风味物质强度 Fu 物质在啤酒中含量 该物质风味阈值Fu 1 0 感到强烈 Fu 0 5 1 0 能接受Fu 0 5 不会影响风味1 双乙酰 联二酮VDK 致啤酒口味不纯 有甜味甚至馊饭味 浓度高时有奶油味 与2 3 戊二酮共称为联二酮 2 3 戊二酮在啤酒中的含量比双乙酰低很多 且它的口味阈值大约为2mg L 是双乙酰的10倍 故它对啤酒风味影响不大 a芳香物质b生青味物质 酵母氨合成和联二酮生物合成 缩合酶 转氨酶 脱氢酶 还原异构酶 正常酵母VDK代谢图 EMP 氧化脱羧 醇脱氢酶还原 细胞膜 被动扩散 被动扩散 氧化脱羧 基因工程酵母VDK代谢图 脱羧酶 联二酮的合成和分解过程前驱体的形成降低pH 提高温度 丙酮酸到乙酰乳酸 氧气吸入可促进与酵母菌种 酵母量麦汁组成 N含量180 20 氧含量 酵母增殖量氧化脱羟成双乙酰 戊二酮联二酮还原 双乙酰乙偶姻 3 羟基 2 丁酮 丁二醇 影响双乙酰还原的因素 酵母量及凝聚性 前期强后期弱 故后酵酵母多还原快 与酵母与双乙酰接触的因素有关 故应防止酵母沉降 温度 高有利 加速后熟可用12 13 压力 推迟升压时间 压力高不利还原 过滤后避免与氧接触 减少残留乙酰乳酸的氧化使双乙酰回升 2 醛 主要为乙醛 为酒精发酵的正常中间物 导致口味不成熟 嫩啤酒含量为20 40mg L 成品啤酒为8 10mg L 使乙醛浓度提高的因素有 发酵强烈 发酵温度升高 酵母增加量多 主酵用带压发酵 麦汁通风量过少 麦汁染菌 促进乙醛分解的因素 所有促进后酵和后熟的措施 高温后熟 麦汁通风充分 提高后酵阶段的酵母浓度 3 高级醇 高级醇对啤酒风味的影响 促进啤酒有丰满的香味和口味 增加酒的协调性 但过量有各种不愉快的味道及 上头 如 汗臭味 腐败味等 形成途径 酵母使氨基酸脱氨 脱羧并还原 从而转化为醇 通过羟酸和酮酸形成 糖通过乙酸酯形成 促进高级醇形成的因素 发酵温度升高 嫩啤酒运动 氨基酸减少 接种时强烈通气 强烈的麦汁追加 接种温度 8 麦汁浓度 13 高级醇含量 下面法 60 90mg L上面法 100mg L 口味差 4 酯 酯适量啤酒香 酯过高带来不舒服的苦味和果味 酯量下面法 60mg L上面法 80mg L 促进酯含量的因素 麦汁浓度高于13 最终发酵度和成品发酵度高 麦汁通风减少 主酵和后酵中的运动增加 5 硫化物这类物质量很低也会强烈影响啤酒的口味和气味 H2S 由含硫的氨基酸形成 也可因酵母缺乏或损失生长素时造成过高 硫醇 RHS 硫醚等 有臭鼬味 严重影响啤酒的风味 并使啤酒有日光臭 气味阈值5 10 g L DMS 二甲硫 烂卷心菜味 为生酒味之一 酵母没有改变DMS含量的能力 麦汁中的DMS会一成不变带入啤酒 气味阈值30 50 g L 6 有机酸 有机酸来源 来自麦芽和麦汁 由发酵产生 如脂肪酸 丙酮酸 乳酸 苹果酸等 对啤酒影响 使啤酒口感活泼 爽口 缺酸则呆滞 粘稠 不爽口 但过多 则粗糙 不柔和 不协调 过量也即污染杂菌 12度啤酒总酸 2 6ml 1mol LNaOH 100ml 7 其它的过程和转化 pH值下降 5 3 5 6到4 3 4 6 氧化还原势的变化 色泽变浅 pH下降导致某些物质脱色 酵母的吸附或色泽强烈的物质析出 苦味物质和多酚物质的分离析出 CO2的溶解 啤酒的澄清 第二节啤酒发酵技术发酵种类分批发酵多罐发酵大罐发酵低温主酵 低温后熟低温主酵 高温后熟单罐发酵低温发酵 高温后熟高温主酵 快速后熟无压高温主酵 高温后熟连续发酵 主要用于上面发酵菌体固定化发酵 传统发酵 珠江啤酒厂区图 珠啤集团本部年产一百五十万吨 是全球单厂最大的啤酒酿造中心 珠江啤酒是全国三大啤酒品牌之一 单一品牌销量位居全国同行第二 在啤酒行业中享有 南有珠江 的美誉 2007年青岛啤酒实现啤酒销售量505万千升 在中国市场占有率达13 据2006年 2007年产量排名 青岛啤酒为世界第八大啤酒厂商 一 啤酒发酵工艺控制1 菌株的选择从 发酵速度 发酵限度 凝聚性 回收性 稳定性等方面控制2 麦汁组成 原麦汁浓度 8 15 溶氧水平 3 9mg L 其它 pH 麦汁发酵性糖 氨基氮 不饱和脂肪酸等 3 接种量德国 20 30 106 mL麦汁中国 15 3 106 mL麦汁 接种量和细胞增殖的关系 4 发酵工艺 下面发酵 条件控制 温度温度高 外观浓度降低快 VDK还原快 氨基氮利用快 高分子物质沉淀多 非生物稳定好 不易酿成淡爽型啤酒 温度低 副产物少 香味及苦味物质损失少 啤酒细腻 柔和 浓醇性好 酵母使用代数多 5 罐压 CO2浓度对发酵的影响 二 传统啤酒发酵传统式分批发酵 每批定型麦汁 经过酵母添加 前酵 主酵 后酵 贮酒等阶段 需要设备是 酵母添加器 密闭或敞口式前发酵池和主酵池 密闭后发酵和贮酒缸 各阶段发酵均有绝热保护层 并有室温调节装置在厂房内进行 一般为前酵室 7 8 主酵室 6 7 后酵和贮酒室 2 0 一 酵母的添加和前发酵1 酵母接种量接种后细胞密度常控制在 5 12 106个 ml 压榨酵母每克有30 40亿细胞 凝聚性 自然沉降酵母泥中每克有18 25亿细胞 接种量计算 若酵母泥密度为20 108个 g 工艺规定接种后密度为8 106个 ml则每公斤麦汁接种酵母泥克数n 8 106 1000 20 108 4克即0 4 2 酵母添加方法 1 干道和湿道添加法 干道添加法 酵母添加器中加入每批麦汁的酵母泥 加二倍的冷麦汁 压缩空气混合 进前酵池与麦汁用空气混合 湿道添加法 酵母泥加5倍的冷麦汁 保温培养10 12h 出芽后混入麦汁 进入主酵 2 倍量添加法 第一锅用干道添加 发酵6 8h 加第二锅麦汁 无菌空气搅拌后发酵10 15h 进入主酵 充气进口及酵母出口 压气进口 移转角度45 酵母接种器 3 分割法 4 递加法3 前发酵 指接种酵母泥后 处于休眠阶段 此酵母和麦汁接触后 有数小时至十小时的生长滞缓期 才进入出芽繁殖 当酵母克服生长滞缓期 出芽繁殖细胞密度达到20 106个 ml 发酵麦汁表面开始起沫 前酵时间 随接种温度 接种量变化 一般低温发酵常在16 20小时 中温 12 14小时 特点 糖降不明显 外观浓度降0 5 1 0 p 温度升高0 7 1 0 二 传统啤酒主发酵1 主发酵过程 前期 主发酵前期酵母吸收麦汁中氨基酸和营养物质 利用糖类发酵释放自由能合成酵母细胞 此阶段糖降比较缓慢 而 氨基氮下降迅速 由于有机酸产生和麦汁缓冲物质 磷酸盐和氨基酸 减少 麦汁pH下降迅速 中期 酵母达到最高密度时 糖降最快 每天外观浓度下降可达1 5 2 0 p VDK峰值出现在最高酵母密度后12 24小时 此阶段大量释放发酵废热 必须冷却保持最高发酵温度 当发酵度达到酵母凝聚点时 一般发酵度35 40 酵母开始凝聚 发酵液中悬浮酵母细胞数开始下降 发酵糖度速率也随之降低 为了促进凝聚和保存凝聚酵母的活性 发酵后期逐步趋近于后酵温度 后期 当主酵后期每日糖降小于0 3 p时 发酵缓慢 泡沫消失 逐步形成泡盖 泡盖是由二氧化碳带至发酵液表面的多酚 酒花树脂 高分子蛋白质 接触空气氧化聚合而成的 在主酵结束前 小心捞去泡盖 即可下酒至后发酵和回收沉于池底的凝聚酵母泥 低温下面发酵曲线 2 主发酵工艺 中温下面发酵曲线 典型上面发酵曲线 WIL G 03快速发酵实例 上次课内容回顾 一 啤酒发酵工艺控制 菌株的选择 麦汁组成 接种量 接种量和细胞增殖的关系 发酵工艺 下面发酵 条件控制 温度 时间 罐压 CO2浓度对发酵的影响二 传统啤酒发酵 一 酵母的添加和前发酵 酵母接种量 酵母添加方法 前发酵 二 传统啤酒主发酵 主发酵过程 前期 中期 后期 主发酵工艺 3 主发酵下酒的条件控制 1 下酒的可发酵性糖 一般应控制下酒的外观浓度 外观浓度EA 用糖度计测出的浸出物浓度 EA 原麦汁浓度 1 外观发酵度F外 外观发酵度F外 F真 r F真 FR F上式中r为系数 为0 81 是由巴林推算出的经验值 F真为主酵结束真正发酵度FR为成品啤酒发酵度 F为后酵中增加的发酵度 一般为8 12 真正浓度ER 原麦汁浓度 原麦汁浓度 外观浓度 r 例 12 p啤酒的成品啤酒发酵度为64 要求后酵中增加的发酵度为10 则外观发酵度F外 F真 r FR F r 64 10 0 81 66 5 外观浓度EA 原麦汁浓度 1 外观发酵度F外 12 1 66 5 4 02 真正浓度ER 原麦汁浓度 原麦汁浓度 外观浓度 r 5 52 2 下酒温度传统法4 5 左右 后酵需10 15d若下酒时双乙酰比较高 0 3mg l 为提高VDK还原 可采用5 6 5 3 下酒的酵母浓度传统法5 106个 ml为提高VDK还原 可采用 10 20 106个 ml 4 沉淀酵母收集和 饲养 酵母收集 主酵池底沉结一层酵母泥状沉淀 通常每百斤发酵液有1 75 2 5升酵母泥 上层为泡盖物质和衰老酵母 下层是热凝固蛋白质和死酵母 中层 75 是正常凝聚酵母 中层酵母泥送至酵母饲养室 边加无菌水 1 2 C 边经100目振荡筛 除去夹杂酒花树脂和热凝固性蛋白质 筛下的酵母泥再用1 2 C无菌水漂洗2 3次 每隔2 3小时换水一次 饲养 酵母保存在1 2 C冰水下 称为 饲养 1 3天 不超过5天 每天换1 2次水 饲养无菌冰水有适宜离子浓度 300mg L总离子 Ca2 50mg L 酵母代数 新扩大培养得到酵母 生产上称为 零 代 此酵母每参与一次发酵 收集酵母泥则增加一代 传统以七代之内为好 三 传统啤酒后发酵和贮酒 后酵和贮酒目的是 糖类继续发酵 促进啤酒风味成熟 增加二氧化碳的溶解 促进啤酒的澄清 1 糖类继续发酵后发酵中发酵糖主要是残余麦芽糖和未被发酵的麦芽三糖 12 p麦汁中约有1 0 1 41 糖类未被发酵 温度控制 传统式后酵大多用室温来调节品温 即发酵缸无冷却或加热装置 影响后发酵品温是下酒温度 后酵室温度和发酵时放热 大 中型厂 后酵和贮酒室分隔成若干独立室 在后酵7 10天可以控制室温3 4 C 从而保证后酵在4 5 C 在七天以后逐步降至0 1 C 使酒能进入低温贮酒阶段 小型厂 后酵和贮酒常常只有一个低温室 一般控制在2 0 3 C 2 增加CO2的溶解 CO2作用 CO2是啤酒的重要组成成分 它能赋予啤酒起泡性和泡沫 杀口性 也能增加啤酒防腐性和抗氧化 CO2在啤酒中溢出能拖带出啤酒芳香味散发 要求 瓶装啤酒CO2含量常达0 45 0 53 m m 啤酒中CO2体积比为2 2 2 71 L L 传统主酵溶解在嫩啤酒中CO2仅为0 2 0 28 mm 啤酒工厂常用如下经验式 预测贮酒阶段CO2 mm 0 298 0 4p 0 008t p 为贮酒缸气压 MPa t 啤酒品温 3 促进啤酒的成熟啤酒风味成熟是复杂过程 它包括还原 氧化 酯化 聚合等过程 在主酵结束时总双乙酰 包括前驱物质 水平在0 20 0 30mg L之间 通过后酵和贮酒 主要为后酵 由醇脱氢酶还原而降低双乙酰 啤酒发酵成熟指标之一 双乙酰 0 1 mg L 或更低0 05mg L 发酵完全停止后 由于醇脱氢酶存在 双乙酰继续会缓慢还原 即使品温在0 也能进行 乙醛是乙醇前驱物质 在后酵中能使啤酒风味柔和 成熟啤酒乙醛 30mg L 酯化 长期后酵和贮酒会增加啤酒贮藏香味 在后酵 贮酒过程 挥发酯将增加30 100 其中乙酸乙酯最多 RCHO R1CHO RCOOCH2R1RCH2OH R1COOH RCOOCH2R1 H2O 硫化物超过味阀值含量 是啤酒风味有害物质 H2S 5 0mg lSO2 20mg l CH3SCH3 0 1mg l 4 促进啤酒澄清 1 影响澄清的主要因素 酵母絮凝性和酵母细胞浓度 后发酵度 贮藏温度 啤酒成分 贮酒容器 2 加速澄清的措施 添加五倍子单宁 与蛋白有强烈的亲和作用 加量 20 80g m3 过滤前3天以上加 添加明胶或鱼膘胶 带大量正负电荷 并可形成无规律线形 吸附负电荷的酵母与蛋白质而沉降 加蛋白酶 三 啤酒大罐发酵 一 概述及分类发酵容积从小型化10 30m3逐步走向大型化100 600m3 钱江啤酒厂600m3 三得利200m3左右 大罐室外发酵逐步取代冷藏库内啤酒传统发酵 大罐发酵分 一罐法 单酿罐 前 主 后 贮全部在一罐中完成 国内厂家一般采用此法 两罐发酵 i前 主在发酵罐中完成 后 贮在贮酒罐中完成ii前 主 后在发酵罐中完成 贮在贮酒罐中完成国外和国内大厂 质量要求较高的厂家均采用两罐法发酵 特别喜欢使用后一种发酵法 二 大罐结构特点 大型化100 600m31 设备外形特点2 罐体材料3 冷却套管a换热片式 一次性冷媒直接蒸发式换热如用氨 或氟里昂 其蒸发温度 3 4 蒸发后压力在1 0 1 2MPab弧形管或米勒板式 低温低压 1 3 0 03MPa 国内中型企业多使用二次冷媒 i20 30 酒精水溶液ii20 丙二醇水溶液正常情况下 水的凝固点为0 啤酒为 2 0 2 7 啤酒冰点经验公式t A 0 42 P 0 04 0 2 A 酒精含量 m m P 啤酒原麦汁浓度 冷却夹套分为三段 上段距发酵液面15cm向下排列 中部在筒体的下部支撑裙座15cm向上 锥底尽可能靠近排酵母口向上排列 4其他罐附件温度传感器 CIP 原位自动程序清洗 安全网 人孔 视镜 CO2排气管 空气管 出酒管 排酵母底网等 三 大罐发酵的特点1 加速发酵 加速发酵理论 提高发酵温度可加速发酵传统法 前 主后贮总计低温8 5 4 5 2 0 0 53天8 9天14 21天 30天中温12 7 2 0 36天7天9 14天 20天快速 10天快 26天 前 主后贮总计低温9 9 2 0 6 7天7 9天5 8天中温12 12 2 0 5天5 7天5 7天 传统酿造周期低温需50天 中温 快速 25 36天 大罐酿造周期一罐法16 22天 两罐法20 30天 比较 大罐可缩短周期2 3倍 大幅度降低罐数 节省投资 16 24天 15 19天 大罐法 提高酵母密度 可以使前期发酵提前 略加强中期发酵 而后期发酵没有后劲 这样也可以加速发酵 缩短时间 强化对流 使麦汁与酵母充分接触 可加速发酵 大罐里主要有三个推动力得到强化a罐底部产生的CO2气泡上升对发酵液的推动力 b发酵阶段底部酵母密度大于缸上部 底部降糖快 酒精生成快 造成上下罐密度差造成对流 c在发酵时控制罐下部温度高于上部1 2 由于温差引起热对流 特别在发酵后期前面推动力减小后 温差对流更能发挥作用 快速发酵理论是大罐发酵的理论基础 传统发酵在冷藏库内发酵和贮酒 而大罐发酵可部分或全部在室外 且总面积少 厂房投资省 传统发酵冷量多消耗在冷却厂房 空气 人 机器 泵 电机 而大罐发酵直接冷却发酵罐和酒液 而且冷却介质在强制循环下 传热系数高 大罐比传统节省50 左右冷耗 传统发酵 池或罐 依赖人工清洗和消毒大罐 依靠CIP工艺更易保证确保纯种发酵 2 节省厂房投资 节省冷耗 3 CIP原位自动程序清洗消毒 罐体高 酵母沉降层厚度大 酵母泥使用代数一般比传统低 只能使用5 6代 贮酒时 澄清比较困难 过滤必须强化 如现在一般啤酒厂使用硅藻土 PVPP 聚乙酰聚吡咯烷酮 由于大罐体积大 罐壁温度很难在短时间内达到一致 这样给发酵控制带来困难 4 大罐发酵弱点 四 大罐发酵工艺1 麦汁控制 溶解氧水平高 密闭 8 9mg L 清明透亮 冷凝固蛋白去除好 氨基氮比传统要求严格 180mg L 12 p 2 酵母品种 CO2高浓度 发酵变化大 稳定性好 菌株不易退化 凝聚性好 排放酵母方便 3 接种量 接种温度 起酵 主酵温度 麦汁直接进缸 为了缩短发酵时间 大多采用较高接种量0 6 0 8 接种后酵母密度为 15 3 106 个 ml 为了减少双乙酰 VDK 前驱物质 乙酰乳酸生成量 要求满罐在14 18小时内 接种温度主要是控制酵母繁殖阶段温度 一般低