啤酒发酵的基本理论

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

1/2C12H22O12+1/2H2O→C6H12O6+2ADP+2Pi→2C2H5OH+2CO2+2ATP+

麦芽糖葡萄糖乙醇

理论上每100g葡萄糖发酵后可以生成乙醇和。实际上，只有96%的糖发酵为乙醇和CO2，%生成其它代谢副产物，%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，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体内，再经过水解才能被利用。当麦汁中葡萄糖质量分数在%～% 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%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+38Pi→6H2O+6CO2+38ATP+281kJ

无氧下1/2C12H22O12+1/2H2O→C6H12O6+2ADP+2Pi→2C2H5OH+2CO2+2ATP+

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%～%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α-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800～1000mg/L左右，α-氨基氮含量在150～210mg/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（α-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%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<～L，H2S含量<5μ/L，二甲硫（CH3SCH3），乙醛含量<30mg/L，高级醇<75～90mg/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