发酵过程中异常情况及解决措施

发酵过程中异常情况及解决措施 金星集团信阳啤酒有限公司 黄华龙 465100 发酵液的澄清是一种自然的凝聚、沉降悬浮颗粒（包括酵母、冷 凝固物等）的过程，这是一种简单但由耗时比较长的形式，这种自 然沉降遵循斯托克斯定律（球形物体在流体中运动所受到的阻力， 等于该球形物体的半径、速度、流体的黏度与 6 的乘积） 。这个定 律叫做斯托克斯定律： 如果物体在流体中因自身的 重量而下落，根据上面公式，则为最终速度。 ）从上式中可以看出， 发酵液的澄清即悬浮混浊颗粒的沉降，受混浊颗粒的大小和液体黏 度的影响较大，因此，要加速发酵液的澄清，必须设法去减小液体 的黏度，增加混浊颗粒相互凝聚成大颗粒的机会。其次，对自然澄 清的形式来说，液体中混浊颗粒的沉降还与沉降的距离、液体的运 动程度有关，因为液体的不规则运动和较大的沉降距离都不利于颗 粒的沉降，因此贮酒时的静止、罐的直径或高度都是发酵液澄清的 重要条件。 1、 贮酒期发酵液澄清不好的原因： 经过规定时间的静止贮酒以后，发酵液仍然混浊不清，造成这 种现象的主要原因有： a) 原料质量差（麦芽溶解度差） ，糖化效果不良，带入后发酵许多 胶黏性物质（如葡聚糖、糊精等） ，导致发酵液的黏度较高，影响 颗粒物质的沉降； b) 贮酒酒龄太短，凝固物颗粒与酵母沉降时间不足； c) 升温糖度提前，导致大量的混浊物质和酵母悬浮，随着温度的 不断降低，冷凝固物细粒不断析出，但没有能凝聚成较大颗粒 物质沉降； d) 封罐糖度偏高，酵母细胞数偏多，导致后发酵持续时间较长， 液体处于运动状态，混浊颗粒不易沉降； e) 发酵温度偏高，发酵液 PH 偏高，都会影响冷混浊等颗粒物质 的凝聚沉降，较高的 PH 还会使发酵液黏度有所上升，影响澄 清； f) 酵母凝聚性能太差，发酵度太低，制麦过程和糖化过程中蛋白 质分解程度不足，或是去除冷、热凝固物效率太低，都会影响 发酵液的澄清； g) 麦汁或发酵液污染杂菌，发酵液酸化，会使部分凝固物颗粒带 有相斥电荷，不能凝聚沉降； h) 添加高泡酒的发酵液静置时间太短。 发酵液澄清不良一般只能通过延长澄清时间或添加澄清剂如单 宁、鱼胶等加以处理，对一些因发酵不旺盛或发酵度偏低造成的后 发酵液澄清不良，可以添加 10-15%的高泡酒加以改善。如果能控制 好原料质量，特别是麦芽的溶解度（蛋白质和葡聚糖等胶体物质的 分解程度） ，控制好麦汁组成（糖化效果） 、酵母质量和微生物，加 上对发酵温度等一些工艺条件的控制，发酵液澄清不良的情况是可 以减少或避免的。 2、 发酵降糖太慢： 在主发酵过程中，每天降糖的速度不是完全一致的，在高泡期 间降糖速度比较快，在起始发酵和终止发酵前的一段时间内，降糖 速度稍慢一些。所谓降糖速度慢指的是高泡期间降糖值不足 1P。 这种不正常的现象将会影响发酵设备的周转与啤酒的产量。降糖速 度慢大致有以下原因： 1) 麦汁组成不良 a) 麦汁可发酵性糖偏低，非糖类物质含量偏高，使酵母起发后即 停止发酵或发酵迟缓； b) 麦汁 a-N 偏低； c) 溶解氧含量少； d) 嘌呤核嘧啶类含量不足，影响酵母发酵的速度； 2） 酵母质量差 b) 酵母菌种不良，发酵性能极差； c) 酵母使用代数较高，死亡率高； d) 酵母衰老，出芽率低，增殖速度慢，或酵母凝聚过早； e) 酵母添加量少，添加后混合不均匀，悬浮酵母细胞数少，起 发速度慢； f) 酵母贮养时间长，在添加前没有进行麦汁活化处理，酵母代 谢活性较差，酵母的滞缓期相应延长，或是因贮养时间过长， 死亡率增加。 3) 发酵温度控制不当 a) 麦汁冷却温度过低，酵母增殖速度慢，起发速度慢； b) 主发酵冷却速度过快，使发酵液迅速降温，酵母过早凝聚沉 降； c) 麦汁 PH 控制不当；（PH 偏低，酵母易沉降，使悬浮细胞数 少；PH 偏高，使植酸盐不能充分分解为肌醇和磷酸盐，使酵 母生长机能受阻，发酵性能降低。 若出现前期酵母降糖速度慢，有以下处理办法： a) 进入高泡期后，降糖速度仍慢，可以暂时不降温，可适当提 高温度 0.5-1C 或适当追加强壮的酵母和新鲜的麦汁，以维 持正常的发酵； b) 如降糖速度随着时间的延长和温度的升高仍没有明显的改善， 则可以将此发酵液分割 2-3 罐，分别追加强壮的酵母和新鲜的 麦汁，进行适当的调整与补偿； 3、 发酵过程降糖太快: 1) 原因： a) 酵母添加量过多，繁殖酵母细胞数太高； b) 酵母添加时，麦汁温度太高，如超过 10C，使酵母迅速增 殖，发酵降糖太快； c) 发酵过程温度控制不当，高温持续时间长； d) 麦汁组成很好，可发酵性糖和 a-N 含量高，供氧过于充足， 促使酵母发酵过于旺盛； 2) 处理方法: a) 控制酵母添加量； b) 合理控制满罐麦汁温度，控制好发酵温度； c) 调整原辅料配比，调整糖化工艺，控制麦汁组分中可发酵性 糖的比例； d) 调整麦汁充氧量，防止充氧过度。 4、 发酵罐罐壁结冰 1) 原因： a) 冷媒温度太低； b) 发酵罐冷带夹套设计不合理； c) 测温点布置不合理，不能真实反映罐内温度，造成控温误差； d) 罐内酒液对流差。 2) 处理方法： a) 控制冷媒温度-4-6C,不应低于-8C； b) 冷却面积，冷却段布置合理，冷媒介质的进口部设计在发酵 罐的低温区； c) 测温点部设在冷却带上； d) 低温贮酒时间不宜太长。 5、 大罐酵母出现了污染，但生产上又缺少酵母，不能丢弃，应如 何处理？ 大罐回收酵母一般不清洗，如污染杂菌，可采用酸洗。首先将 食用磷酸用无菌水稀释一倍，酵母泥在低温状态下边搅拌边加入 稀释磷酸，使酵母泥 PH 为 2.2-2.8，保持 0.5-3hr，即直接接种与 麦汁中。酵母泥 PH 及处理时间随污染状况定，污染严重，PH 应 低，时间应长些。酵母泥处理时间应和使用时间配合好，处理后 即可使用。 6、 贮酒期结束时，双乙酰含量偏高的原因，如何处理？ 迄今为止，已知的啤酒生产中形成双乙酰的途径可能有 3 个: i. 在酵母合成代谢过程中，当 a-酮酸合成缬氨酸的时候会产 生一种必然的中间产物，称为 a-乙酰乳酸，a- 乙酰乳酸通 过非酶分解（但需要一定温度条件）即形成双乙酰。 ii. 乙酰辅酶 A 与羟乙基胺素的焦磷酸盐（称活性乙醛）的直 接缩合，进一步放出辅酶 A 而双乙酰。 iii. 污染了可以生成双乙酰的杂菌，主要是片球菌。 这三种途径中的第一种产生双乙酰的数量最多，而且不同的酵母 菌种，不同的发酵速度，不同的麦汁组成，产生双乙酰及其前驱的 数量也不同。由于双乙酰对酵母菌有毒害作用，所以酵母菌一般具 有还原双乙酰的能力，可以把双乙酰还原成丁二醇，从而减少对啤 酒口味的影响。 在整个发酵过程中，双乙酰形成和被还原主要在主发酵过程中完 成。这是因为酵母菌在主发酵期间有旺盛的代谢活力，会在合成缬 氨酸的同时形成 a-乙酰乳酸，而活性乙醛的形成也会产生一定数量 的双乙酰。但是，由于主发酵期间大量的悬浮酵母细胞又会很快将 双乙酰还原，所以主发酵是双乙酰大量形成而又大量被还原的过程。 影响和消除双乙酰的方法： 1）减少 a-乙酰乳酸的生成： a) 酵母菌株：现代研究发现，酵母菌株不同，由活性乙醛和酮 酸 合成 a-乙酰乳酸的缩合酶活性差异很大。在相同发酵条件下，有的 双乙酰峰值达 0.81.2mg/L，有的仅 0.30.4mg/L，这也证明前驱 物质 a-乙酰乳酸合成量有很大差别。这些低双乙酰峰值的菌株，可 以用化学诱变法获得，也可以从传统菌株自然变异中优选出来。 b) 提高麦汁中 a-N 水平：有实验证实把麦汁中缬氨酸水平从 85mg/L 增加到 160mg/L，双乙酰峰值从 0.85 mg/L 降低至 0.40mg/L。 （表 1） 表 1. 麦汁 a-N 和双乙酰峰值的关系（mg/L） 2）加速 a-乙酰乳酸的非酶氧化分解： 由于 a-乙酰乳酸是双乙酰的前驱物质，非酶促氧化分解速度远远 低于酵母对双乙酰的酶促还原速度。 a-乙酰乳酸 非酶氧化 双乙酰 酶促还原 2,3-丁二醇 这总反应速度取决于非酶氧化分解速度，加快速度也能最终加速 双乙酰的含量。若 a-乙酰乳酸不能再发酵前期迅速氧化分解，在发 酵后期乃至贮酒期，由于发酵液中氧化还原电位降低，a-乙酰乳酸 氧化更困难，它就不能彻底转化成双乙酰而残留于啤酒中。在灌装 以后，由于瓶和罐中存在空气和溶氧，氧化分解反应会继续发生， 而此时已经不存在酵母还原酶，导致在包装啤酒中，双乙酰含量回 a-N 含量 100 120 140 160 180 200 220 双乙酰峰值 1.4 1.1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.45 升。 加速 a-乙酰乳酸氧化分解的技术有：提高麦汁溶氧水平，发酵前 期适当进行通风搅拌，酵母在发酵前期有强发酵力（生成 CO2）和 产酸能力，迅速降低发酵液 PH（从 PH5.4 降低至 4.4-4.3） 。 3）控制和降低酵母的增殖浓度: a-乙酰乳酸是酵母繁殖细胞的伴随产物，控制增殖浓度是降低 a- 乙酰乳酸产生的重要因素。 提高酵母接种量，降低酵母在发酵液中的繁殖温度，控制麦汁中 a-N 水平不高于 220mg/L，以抑制酵母增殖浓度，从而控制 a-乙酰 乳酸的生成量。现代工艺采用较低接种温度（低于主酵最高温度 34C 接种） ，接种后酵母浓度在（1.5-2.0）10 7个/ml，主酵 中酵母最高浓度控制在（6.0-7.0）10 7个/ml，均能有效的降低 a- 乙酰乳酸的产量。 4）加速双乙酰的还原 a) 酵母菌株的影响：双乙酰前驱物-a-乙酰乳酸产生后被酵母 细 胞分泌至发酵液中，非酶氧化形成双乙酰，而双乙酰还原必须依赖 于酵母细胞体内的还原酶，也就是双乙酰需进入酵母细胞内才能被 还原。各种啤酒酵母，细胞壁透过双乙酰的能力差异很大，严重影 响双乙酰的还原速度。在双乙酰还原阶段加大罐压（0.14-0.16Mpa） ， 也能促进双乙酰渗透进入细胞被还原。 酵母变异株- 呼吸缺陷型（小菌落变异） ，由于此酵母缺乏琥 珀酸脱氢酶和细胞色素氧化酶，也会减弱双乙酰的还原。 b) 双乙酰还原阶段酵母细胞浓度的影响（表 2）：双乙酰还原 阶 段依赖于酵母分泌的醇脱氢酶，过低的酵母细胞数必然会影响双乙 酰还原。 在现代大罐发酵中，外观糖度降至 3.8P 时，一般不分离酵母， 悬浮在发酵液中的细胞浓度取决于酵母的凝聚性，但不论酵母的凝 聚性如何，其细胞浓度可维持在（1.0-4.0）10 7 个/ml，因此能加速 双乙酰的还原。 表 2. 酵母细胞浓度对双乙酰还原的影响 细胞浓度（10 7个/ml） 双乙酰值（mg/L） 还原时间（d） 2.0 1.0 0.7 0.3 0 0.71 0.72 0.69 0.70 2 0.54 0.63 0.65 0.69 5 0.28 0.36 0.52 060 8 0.15 0.22 0.39 0.55 12 0.10 0.15 0.23 0.43 15 0.08 0.10 0.13 0.35 20 0.06 0.08 0.10 0.30 c) 双乙酰还原阶段温度的影响: 提高还原温度是促进双乙酰迅速降低的有效措施（表 3） 表 3.双乙酰还原温度和双乙酰含量的关系 还原温度C 双乙酰值（mg/L） 还原时间（d） 18 10 4 0 0 0.74 0.74 0.74 0.74 3 0.20 0.44 0.56 0.68 5 0.08 0.32 0.46 0.62 10 0.03 0.16 0.31 0.45 15 0.03 0.10 0.16 0.36 5) 二氧化碳洗涤可以促进凝聚酵母细胞重新悬浮，促进发酵液对流， 有利于消除双乙酰，同时也可以将一部分挥发性物质带出。 6） -乙酰乳酸脱羧酶的加入 将酶制剂 -乙酰乳酸脱羧酶直接加入至冷麦汁中，一起进入发 酵罐。该酶通过迅速脱羧反应，将 -乙酰乳酸转化为 3-羟基-2- 丁酮，大大降低了酒液中 -乙酰乳酸的积累，从而减少双乙酰的 生成和还原时间，缩短了发酵周期。 7) 采取措施提高酒液的还原性 尽量减少酒液与氧接触的机会，以阻止 -乙酰乳酸的氧化。主 要从以下几方面控制： a) 滤酒过程中可以添加抗氧化剂等，如添加少量的偏重亚硫酸 钾或亚硫酸氢钠等氧化剂，阻止 -乙酰乳酸的氧化。 b) 避免清酒在管路中产生涡流现象，这样会使清酒中溶解氧的 含量增加。 c) 灌装过程中使用二氧化碳备压，并采用二次抽真空，来降低 灌装增氧量。 d) 采用高压引沫除氧装置，降低瓶颈空气的含量，控制在 lmlL 以下。 e) 啤酒巴氏杀菌温度不宜过高，杀菌强度应控制在 1520PU。 f) 加强发酵工艺卫生管理，杜绝杂菌污染。野生酵母会产生双 乙 酰，许多细菌也能产生双乙酰，还有部