11美国PQ公司(演讲)

硅胶与啤酒的抗冷混浊处理 美国PQ公司 啤酒的概述 在啤酒行业竞争日益激烈的今天 啤酒质量成为决定成败的最主要因素 因此 清晰度高 泡沫适中 营养丰富和口感好的啤酒无疑是人们的最佳选择 但是 由于啤酒中含有一定量的蛋白质 它与游离于啤酒中的多酚 单宁等结合形成蛋白 多酚和蛋白 单宁复合物 产生不溶性胶体或沉淀 造成啤酒混浊 此类混浊的形成 在冷冻贮存过程中尤为明显 严重影响了啤酒的质量 也大大降低了啤酒在市场上的竞争力 所以对啤酒的冷混浊问题有一个全面深刻的认识 并提出一个行之有效的方法是一个需要迫切解决的问题 啤酒中混浊的现象 啤酒是一个不稳定的胶体溶液 随着贮存时间的延长 在氧气 光照和振动等多方面因素的影响下 清亮 透明 口感新鲜爽淡的啤酒会发生混浊 沉淀 并伴随着色泽加深 出现老化味等不良现象 啤酒的冷混浊和永久性混浊 迄今为止 引发啤酒混浊失光的最常见的原因是蛋白质 多酚的复合 蛋白质 多酚混浊分为冷混浊和永久性混浊 冷混浊是指啤酒遇冷 0 左右 变混浊 加热至20 左右复溶的混浊 它是一种受温度影响的可逆性混浊 微粒大小在0 1 1 0 m之间 冷混浊可认为是低分子量的多酚与蛋白质以氢键等弱化学键相互作用的结果 永久性混浊是指啤酒遇冷 0 左右 变混浊 加热至20 左右不复溶的混浊 它不受温度影响 无可逆性 称为永久性混浊 其颗粒大小在1 10 m之间 啤酒的冷混浊和永久性混浊 续 一般认为 冷混浊是永久性混浊的前驱物质 永久性混浊可认为是多酚聚合后 与蛋白质以共价键等强化学键作用的结果 永久性混浊是冷混浊进一步氧化聚合的产物 其结构更为复杂 很明显 为避免蛋白质 多酚混浊的产生 应尽早在酿造过程中除掉敏感蛋白或敏感多酚 也有人建议 将敏感蛋白 敏感多酚按比例都去掉一部分 以保留它们在啤酒风味 如口感 抗氧化作用 啤酒的营养价值等方面的不同贡献 值得注意的是 由于至今未完全搞清敏感蛋白和泡沫蛋白间的组分关系 因而不能过多地去除蛋白质 评价啤酒稳定性的方法 评价啤酒稳定性的方法有很多种 但最主要的有三种方法 分别是货架期保存试验 热强化试验和化学强化实验 其中化学强化实验又包括饱和硫酸铵试验 酒精冷冻试验和敏感蛋白试验等 评价啤酒稳定性的方法 货架期保存试验是指在室温的条件下储存啤酒 经过几个月的储存后将啤酒冷却至0 进行浊度的测定 比较前后的浊度变化 此法的实验结果可靠 能够真实的反应啤酒的稳定性和保质期 但由于此法的实验周期较长 即使发现稳定性的问题 啤酒基本上已经在市场上流通 所以缺乏同步性 评价啤酒稳定性的方法 化学强化试验是指向啤酒中加入化学试剂以沉淀冷混浊物质 如加入饱和硫酸铵溶液 乙醇等 来测定加入前后的浊度 比较其变化 此法试验周期最短 测试当天就能得出结论 但结果与货架期保存试验相关性较差 评价啤酒稳定性的方法 热强化试验是指在特定条件下 高温强制处理 加速混浊的产生 预测啤酒的非生物稳定性 一般指在0 和60 的条件下循环测定浊度 比较其变化 不同的酿造者往往采用不同的特定条件 以适应不同类型的啤酒 此法试验周期较短 其结果与货架期保存试验相关性较好 是目前被广泛使用的方法 啤酒冷混浊形成机制 啤酒中的冷混浊主要是蛋白质与多酚发生聚合反应产生的 蛋白质 多酚混浊的出现 主要是由于混浊敏感多酚 敏感蛋白的过量或不均衡引起的 实验表明 当蛋白含量恒定时 随多酚含量的增加 混浊增加 当混浊达到最大后 再增加多酚含量 混浊下降 同样 当多酚含量恒定时 蛋白含量增加时 混浊增加到最大后 再增加蛋白 浊度就会下降 啤酒冷混浊形成机制 续 因此 Siebert在这些实验基础上 提出了蛋白质 多酚作用模式理论 如图所示 啤酒冷混浊形成机制 续 该模式认为冷混浊蛋白有一个与多酚结合的固定位点 可能是脯氨酸基团 多酚有两个或多个位点与蛋白结合 当多酚的结合位点与蛋白的结合位点比例最佳时 两者结合能形成网状结构的蛋白质 多酚复合物 随着时间的延长 复合物不断的增大 从而导致啤酒胶体状混浊的形成 如果啤酒中敏感蛋白过量 则每个多酚分子都与两个蛋白分子作用形成二聚体 但不能进一步作用 形不成混浊 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 每个多酚只一端与冷混浊蛋白相连 而另一端没有冷混浊蛋白和它相连 所以 不能形成网状结构 也形不成大量的混浊 如果啤酒中混浊敏感蛋白与混浊敏感多酚比例合适 含量也较高 便能形成大量的混浊 啤酒冷混浊形成机制 续 啤酒冷混浊是一种受温度影响的可逆性混浊 主要原因是麦汁和啤酒中存在较多冷混浊蛋白 同时酵母也能分泌一些啤酒冷混浊蛋白 此类蛋白质在20 以上与水形成氢键 呈水溶性 但在低于20 时 它与水结合键断裂 与疏水性的多酚物质接触 由于多酚以氢键与蛋白结合 破坏了蛋白的 结构 形成不溶性蛋白 造成啤酒失光 浊度上升 此类沉淀属非生物稳定性沉淀 当加热至20 以上 蛋白质与多酚连接的氢键断裂 和水以氢键连接 浊度恢复正常 混浊刚形成时多酚和蛋白很容易分开 及时升温可以去除沉淀 但是如果不及时除去 二者就很难分开 就形成了永久性沉淀 如图所示 啤酒冷混浊形成机制 续 啤酒冷混浊的稳定化处理 根据啤酒冷混浊的形成机理 对于混浊的前处理 一般有三种可行的方法 除去多酚 除去蛋白质或同时除去一定比例的多酚和蛋白质 在这三种处理方式中 第三种处理方式是最有价值的 我们应该明白聚合物中存在的结合力是比较弱的 受温度的影响比较大 因此 低温是啤酒稳定的前提条件 但是在应用的过程中 应考虑到多酚和蛋白质对产品其它方面品质和价值的影响 不能顾此失彼 另外 也要考虑到这些稳定剂 吸附剂 以及蛋白水解酶类 在减少啤酒冷混浊的同时 是否会给啤酒的生产和质量带来其它的负面作用 啤酒冷混浊的稳定化处理 目前 国内常用的啤酒稳定化处理的方法一般包括 冷藏处理 加入聚乙烯聚吡咯烷酮 PVPP 硅胶等吸附剂 加入明胶 单宁酸等澄清剂 加入蛋白水解酶等 这些方法都是为了减少啤酒中的蛋白质或多酚的含量 这些方法都有其独特的优点 在此仅对硅胶的抗冷混浊作用的机理进行详尽的分析及说明 硅胶的概述 硅胶作为一种蛋白吸附剂 其主要作用是吸附啤酒中形成混浊的高分子蛋白质 它可以吸附与敏感多酚反应的那部分敏感蛋白 硅胶是用无机酸和硅酸钠合成的 它和硅藻土相似 同属于无定形二氧化硅 由于它是人工合成的 可以按照不同的需求加工成各种规格 所以更方便 更适合不同的生产需要 硅胶的选择 适合于啤酒行业使用的典型硅胶应同时满足以下条件 吸附性能 比表面积 400平方米 克过率性能 渗透率 0 05D arce接触时间 5分钟BSI 1ppm 硅胶的生产过程 生产硅胶的主要原材料为硅酸钠SiO2 Na2CO3 Na2O xSiO2 CO2沙纯碱硅酸钠 硅胶的生产过程 续 当硅酸钠被酸化 硫酸 时 其中的二氧化硅不在保持溶解状态而被膨胀析出 但这种原始的二氧化硅颗粒之间保持分离 此时的状态我们称之溶胶 Sol 然后 处于溶胶状态下的二氧化硅颗粒之间相互作用 部分聚集形成若干二氧化硅颗粒集团 此时称之为冷凝物 Precipitate 最后这些二氧化硅颗粒全部聚集在一起 这时的状态我们称之凝胶 Gel 如图所示 硅胶的生产过程 续 硅胶的生产过程 续 由图可知 在硅酸钠被酸化的过程中 其最终形成了凝胶 凝胶被破碎 碾磨成特定大小的颗粒 用于啤酒的酿造 如果需要制备水胶 凝胶被破碎并用酸液来洗涤 然后在几乎不用干燥的情况下碾磨 最终形成水胶 如果需要制备干胶 凝胶被破碎并用碱液来洗涤 然后在对其干燥的同时进行碾磨 最终形成干胶 具体流程如下 典型的硅胶生产过程 酸洗 碱洗 硫酸 硅酸钠 水胶 干胶 碾磨 碾磨干燥 硅胶吸附冷混浊蛋白的作用机理 每一个二氧化硅聚合物都具有由二氧化硅单体颗粒聚合而成的微孔结构 这些微孔结构内部含有存在于二氧化硅单体颗粒活性表面上的硅烷醇集团 即SiOH 这些硅烷醇集团与冷混浊蛋白中的多肽链结合形成氢键 使冷混浊蛋白吸附在二氧化硅单体颗粒的活性表面积上 同时由于二氧化硅单体颗粒的活性表面积通过其聚合物存在于微孔结构中 从而形成巨大的硅胶活性表面积 大约400 800m2 g 因此硅胶 二氧化硅聚合物 具有很强的吸附冷混浊蛋白的作用 具体过程如图所示 硅胶吸附冷混浊蛋白的作用机理 续 硅胶吸附冷混浊蛋白的作用机理 续 由图可知 硅胶的吸附作用包括三个过程 啤酒中的冷混浊蛋白分散到硅胶颗粒表面啤酒中的冷混浊蛋白附着在硅胶颗粒表面啤酒中的冷混浊蛋白通过硅胶颗粒的微孔结构结合到微孔内部的结合位点 硅胶的选择性吸附 硅胶作为一种蛋白吸附剂 是否会给啤酒中形成泡沫的中分子蛋白带来不良影响 这是啤酒生产厂家所担心的问题 啤酒硅胶作为一种高效的抗冷混浊剂 有其独特的选择性吸附作用 这种选择性包含两层含义 其一是选择性吸附啤酒中的混浊蛋白质 体现为选择这种蛋白质的分子量大小和亲水 疏水性 其二是不吸附啤酒中的泡沫蛋白质和天然抗氧化剂 如那些未参与冷混浊形成的多酚 因此对啤酒的泡沫没有任何影响 选择性吸附啤酒中的混浊蛋白质 选择混浊蛋白的大小为了确定硅胶选择性吸附混浊蛋白的分子量范围 我们采用排阻色谱法分别对未经硅胶处理的啤酒溶液和经过硅胶处理的啤酒溶液进行分析 具体过程如图所示 选择性吸附啤酒中的混浊蛋白质 续 选择性吸附啤酒中的混浊蛋白质 续 由图可知 未经硅胶处理的啤酒溶液 其各个组分的析出峰的最大值在40KDa左右 而经过硅胶处理的啤酒溶液 其各个组分的析出峰的最大值在100KDa左右 所以硅胶选择性吸附分子量在40KDa左右的啤酒蛋白 而对于那些大分子量的蛋白质 大于100KDa 没有吸附作用 现在有许多学者认为这些大分子量的蛋白质 大于100KDa 有助于啤酒泡沫的稳定 选择性吸附啤酒中的混浊蛋白质 续 选择混浊蛋白的亲水 疏水性为了确定硅胶选择性吸附混浊蛋白的亲水 疏水性 我们采用反相液相色谱法分别对经过硅胶吸附后而释放出的蛋白 冷混浊蛋白和泡沫蛋白进行分析 具体情况如图所示 选择性吸附啤酒中的混浊蛋白质 续 选择性吸附啤酒中的混浊蛋白质 续 由图可知 泡沫蛋白的疏水性要强于冷混浊蛋白 而经过硅胶吸附后释放出的蛋白的疏水性与冷混浊蛋白相当 但都弱于泡沫蛋白 所以这三种蛋白的疏水性强弱为泡沫蛋白 冷混浊蛋白 经过硅胶吸附后释放出的蛋白 这就从疏水性的角度来确定硅胶吸附的蛋白可能就是冷混浊蛋白 不吸附啤酒中的泡沫蛋白质和天然抗氧化剂 未参与冷混浊形成的多酚 啤酒硅胶作为一种高效的抗冷混浊剂 目的是吸收冷混浊蛋白 而不是泡沫蛋白质和天然抗氧化剂 如未参与冷混浊形成的多酚 为此我们根据物质的疏水性原理 采用反相液相色谱法 对经过硅胶吸附后释放出来的物质进行分析 具体情况如图所示 不吸附啤酒中的泡沫蛋白质和天然抗氧化剂 未参与冷混浊形成的多酚 不吸附啤酒中的泡沫蛋白质和天然抗氧化剂 未参与冷混浊形成的多酚 由图可知 经过硅胶吸附后释放出来的物质包含多酚和蛋白质 有些蛋白吸收峰单独洗脱出来而没有相应的多酚吸附在其上面 有些蛋白吸收峰则是以蛋白 多酚复合物的形式洗脱出来 但从图中我们可以清楚的看到 没有多酚吸收峰单独洗脱出来 它总是和蛋白一起以蛋白 多酚复合物的形式洗脱出来 这充分说明硅胶只吸附冷混浊蛋白而不吸附以单体形式存在的多酚分子 多酚只有以蛋白 多酚复合物的形式存在才能被硅胶所吸附 啤酒蛋白的特性 综上所述 硅胶具有选择性吸附啤酒中的冷混浊蛋白的作用 对酒体中大分子的泡沫蛋白和天然抗氧化剂 未参与冷混浊形成的多酚 没有吸附作用 同时我们也可以总结出啤酒中两种主要蛋白的一些特性 如图表所示 啤酒蛋白的特性 硅胶使用的安全性 硅胶属于无机硅类 具有吸附