浅析天然抗菌剂酒花酸在酒精发酵中的应用

浅析天然抗菌剂酒花酸在酒精发酵中的应用

摘要在过去的数十年中，酒精生产技术取得了巨大的进步，使得该行业变得更

有利可图。但是，利润率仍然很低。细菌污染是酒精得率和品质下降的主要原

因之一。为了能控制成本效率，抑制酒精发酵中的细菌极其重要。在燃料乙醇

的生产中，一般通过在发酵过程中添加抗生素作为工艺助剂而达到此目的。目前，

日益增长的对在农业和技术领域应用抗生素而使病原菌产生抗生素多种抗性的

关注，已产生了采用一种安全天然替代品的强烈要求。发酵共产物为酒精厂的

经济效率作出了重要的贡献。越来越多的酒精生产商因声称他们的发酵共产物

中不含有抗生素而得利。致力于促进可再生能源的生物乙醇生产商尤其受使用

可能导致环境危害的工艺助剂的争执所困扰。某些地区已实施了严格的规定，

如2005年底，在欧盟内被用于作为动物饲料的复合物，其发酵共产物不允许有抗生素残留。酒花具有防腐的作用，在啤酒工业中的应用已经超过了1000年。而最近10年这些特性才被真正了解。德国BetaTecHopfenprodukteGmbH公司生产大量的基于酒花的复合物在各种应用场合均具有抑制革兰氏阳性菌增殖的能力。IsoStabTM和LactoStabTM是两种天然的食品级抗菌剂，采用一种全水相

工艺从酒花的CO2萃取物中得到。它们含有酒花酸，对酒精发酵过程中的细菌

群如乳酸菌具有非常有效的抗性。在抑制浓度下将抑制乳酸和乙酸的形成，因

而有助于避免酒精产量损失并增加回流量。通过在种子罐中添加杀菌浓度的产

品有可能得到纯净的酵母。酒花酸具有较强的选择性，可以去除细菌而不影响

酵母的活性，其结果是酵母生长更好，发酵更快。引言乳酸菌是酒精生产中最

令人头痛的细菌污染物。细菌生长速度可超过酒精酵母，消耗糖分和原料中的

其他营养成分并产生不合需要的终产物。许多研究者对此已有深入的研究

[1,2,3]。据他们报导酒精发酵中的乳酸菌污染影响酵母的性能，导致酒精产量损失，产生异味，并增加因糖化回流量减少的二次费用。酒精生产商以低利润

运行，并需要抑制酒精发酵中细菌副产物的形成。此外，除了应考虑的因素如

质量成分,糖化醪的巴氏杀菌，卫生学设计，良好的维护之外，抗生素通常被用于控制酒精发酵中的细菌。同时，人类医学依赖抗生素来治疗因细菌导致的疾

病包括一些威胁生命的传染病。最近，许多抗生素的有效性开始衰退。肠道球

菌万古霉素抗性（VRE），1988年首先在欧洲报导，开始成为对人类健康的全

球性威胁。供食用的动物的抗生素促生剂的阈下剂量，例如阿伏霉素在欧盟，

万古霉素在美国，已经成为与VRE有关的重要指标。在欧洲，有迹象显示食物

传染的VRE有可能导致感染到人类[4]。因此，在2005年，欧盟随着瑞典和丹

麦之后采取了一项逐步淘汰抗生素作为促生剂的规定。有大量证据显示，工业

抗生素的广泛滥用同样会污染地表水和地下水包括许多乡村地区的饮用水源[5]。一项对从巴西甘蔗农业生态系统中分离出的细菌对抗生素抗性的研究发现有73

例显示多重抗性，分别有86％和43％在维及霉素和青霉素存在的情况下生长。甘蔗农场施肥所用的酒糟是附近酒厂的副产品，该厂使用这些抗生素控制酒精

生产中的细菌[6]。对此种现象的关注引发了用天然替代品取代抗生素的强烈要求。酒花植物的防腐特性在酿酒工业中已经应用了一千年以上。酒花最初被用

来作为生产稳定的啤酒以便长期储存[7]。BetaTec公司正在采用酒花技术自然

地（指“非人为地”，与用化学方法相对——校译者注）控制燃料乙醇厂、酒

厂和糖厂中的细菌污染。IsoStabTM和LactoStabTM可有效地抑制含糖原料酒

精发酵中的细菌。此外，它们有助于改善酵母活性。它们是天然的、食品级的

抗生素以及其他传统抗菌剂的取代品。公司简介BetaTecHopfenprodukteGmbH

公司1997年成立于德国纽伦堡。该公司为Barth-Haas集团所有。BetaTecHopfenprodukteGmbH公司具有直接存取酒花装置、CO2超临界萃取设备以及其他生产设备，可用于生产新颖的酒花衍生物。Barth-Haas集团的生产厂

设于德国、英格兰、美国、中国及澳大利亚，制造能力包括CO2萃取、分子蒸馏、色谱、蒸气蒸馏设备。通过这些以及其他的工艺过程，关键的酒花成分被

分离、改性、纯化为商品。BetaTecGmbH公司在研发领域十分活跃，其核心竞

争力在于酒花、酒花复合物以及天然抗菌剂。其主要业务集中于发展与应用制

糖工业中的天然生物杀灭剂。目前BetaTecGmbH公司在此领域具有领先地位。2002年，与Hohenheim大学合作开展了一项关于酒花酸作为抗菌剂在不同酒精

发酵原料中的效果的研究[8]。在此数据的基础上，BetaTec研发团队成功地开

发出了两种可用于酒精工业的新型天然抗菌剂。在过去两年中，IsoStabTM和LactoStabTM已经为美国和 [NextPage] 加拿大的燃料乙醇生产商和威士忌生

产商所采用并取得成功。至2005年，两种产品均可在国际市场上购买到。酒花与酒花复合物酒花即啤酒花是源于欧洲和西亚的野生植物，它是一种生长快速

的植物，在很多气候温和的地区如德国、美国、中国、英国、捷克、斯洛文尼亚、澳大利亚和法国都有生长。酒花被用于酿酒和医药用途可上溯至3000年以前，但直到12世纪才

被广泛用于啤酒制造中。酒花的雌株（酒花球果）含有小的黄色粉末状颗粒，

即啤酒花苦味素（又称蛇麻素腺），这些腺含有酿酒的关键成分，称为酸性树

脂和香精。软树脂由α-酸和β-酸构成。它们由酒花中提取而得。用液体或超临界CO2萃取可从酒花中分离出一种含有α-酸和β-酸以及香精的酒花提取物。采用一种全水相工艺，此三种酒花成分得以分离。在啤酒酿造中，煮糖化醪时

α-酸被异构化为异α-酸。异α-酸是啤酒中产生苦味和起防腐作用的真实成分。这些防腐成分同样包含于IsoStabTM及其衍生物中。酒花苦酸的抗菌特性

酒花的抗菌特性已得到很好的验证，对此的研究也持续了多年。远至1937年，Shimwell认识到β-酒花酸可促进抑菌效果[9]，Teuber和Schmalreck在1973年首先提出酒花苦酸及其异构体具有可以阻断细菌生物膜的抑制效应[10]。在1993年，W.J.Simpson研究了乳酸菌对酒花酸的敏感性，他指出酒花酸起着移

动的离子载体的作用，并通过消除跨膜pH梯度抑制乳酸菌的生长。质子从胞外介质越过细胞膜进入细胞内液，胞内pH下降而胞外pH上升[11]。其结果是，

细菌中细胞对蔗糖的吸收受到抑制，从而再无细菌的代谢物如乳酸或乙酸分泌。酒花酸在分批发酵中的抑菌作用燃料乙醇分批发酵中染菌多数来自于受污染的

酵母。另一方面，需要使用清洁的经过灭菌的酵母种子培养基将发酵过程中的

染菌风险降至最低。糖化醪的快速发酵及迅速形成高浓度酒精将阻止细菌的生长。在燃料乙醇工厂中，染菌的监测一般通过HPLC分析乳酸的浓度而得知。若不采取任何措施，乳酸含量在玉米糖化醪种子罐中将达到4～5g/L酵母液。在

美国，种子罐通常添加抗生素处理，这将减少乳酸含量至2.5g/L酵母液（在老酒厂中），而在新酒厂中一般控制种子罐中的乳酸浓度降低至1g/L酵母液。玉米糖化醪中每降低0.2％w/w的乳酸相当于1.03％的酒精增产，在干磨分批发

酵燃料乙醇工厂中的大量实验证实清洁的、健康的酵母液可通过添加一定浓度

的抗菌剂IsoStabTM到种子罐中而得到。食用酒精在饮用酒精的生产中，存在