黄酒发酵过程生物化学机理分析

黄酒发酵过程生物化学机理分析

0糖化、发酵、酒化酶黄酒发酵是一种复杂的生物化学过程，由各种微生物和酶参与，如蘑菇、细菌和细菌。糖化,即蒸煮糊化了的淀粉质原料,经霉菌的糖化作用,分解成可发酵性糖等;发酵,即可发酵性糖在厌氧条件下,经酵母细胞内酒化酶的作用,转化为酒精和CO2。本研究通过跟踪黄酒生产过程中关键性参数总糖、酒精度、总酸和氨基酸态氮的变化,分析黄酒发酵过程及其中相应关键点的控制。1材料和方法1.1测试试剂硫酸铜、酒石酸钾钠、氢氧化钠、无水葡萄糖和浓盐酸等均为分析纯。1.2测试试剂电炉、蒸馏装置、酒精计、温度计、量筒、分析天平和酸式滴定管等。1.3实验方法1.3.1流程图大米→浸米→蒸煮→淋水→落缸→搭窝→冲浆→喂饭加麦曲→主酵→入坛后酵→压榨1.3.2主酵发酵过滤分为主酵样品采集和后酵样品采集。主发酵样品采集:主酵发酵时间为48h,每隔6h取样用纱布过滤后,取清液待用。后酵样品采集:后酵入坛发酵时间大约20d,每隔1d取样用纱布过滤后,取清液待用。1.3.3样品测定1.3.3.1总糖的测定参照GB/T13662-2000《黄酒》中总糖铁氰化钾滴定法。1.3.3.2.酒精度的测定参照GB/T13662-2000《黄酒》中酒精度的测定。1.3.3.3.酸和氨基酸态氮的测定参照GB/T13662-2000《黄酒》中总酸及氨基酸态氮的测定。2结果与讨论2.1主要发酵过程中成分的变化分析2.1.1酒药和麦曲中糖化菌的增殖规律黄酒生产是一个边糖化边发酵的过程,主酵也不例外。主酵从冲浆喂饭为起点至灌坛结束,其过程总糖的变化曲线如图1。从图中看出,总糖含量整体呈现先上升后下降的趋势。首先冲浆稀释了原来的发酵醪浓度,解除了之前高浓度糖液对醪液内各菌尤其是酵母菌的抑制作用,冲浆后醪液中酵母细胞数少,所以主酵开始,酵母进行迅速生长繁殖,其繁殖产热使醪液温度回升,糖化菌分泌的各种糖化淀粉酶充分作用淀粉,产生大量非发酵性糖和可发酵性糖,使糖浓度在前期含量升高。酵母菌大量增殖后,发酵产酒精速度大于糖化速度,醪液中主体反应表现为酵母菌利用可发酵性糖转化为乙醇等产物,造成糖浓度的大幅下降。24h以后,糖分降至10g/L左右,基本保持稳定。结果见图1。由于正常的总糖变化需要酒药和麦曲中糖化菌分泌的淀粉酶和酵母菌的综合作用,因此,在生产中要合理控制好酒药和麦曲的量。如果酒药和麦曲的含量高,尤其麦曲的量高,会使发酵过程中产糖过快,这不仅会抑制微生物的生长繁殖,同时可能导致酸败;麦曲含量低则使原料利用率低。除此之外,前酵和主酵温度也是影响总糖变化的一个重要因素,首先,前酵搭窝时温度要控制在霉菌和酵母菌等有益微生物的生长繁殖温度,一般不超过35℃;主酵温度则应该控制在各种糖化酶以及酵母作用的温度,以维持正常的总糖变化趋势。2.1.2主酵和前酵温度对发酵的影响主酵过程中酒精度变化处于一种不断上升的趋势,结果见图2。由于冲浆前发酵醪浓度高抑制了酵母菌的增殖,而冲浆又对发酵醪进行了稀释,所以主酵开始时酒精浓度较低。随着糖化的进行,产生大量可发酵性糖,同时,增殖发酵产热使温度逐渐上升,以及厌氧条件等均有利于酵母菌的作用,加快发酵速度,酒精度逐渐升高。因此,主酵可以看作是酵母菌旺盛发酵,释放大量热量,可发酵性糖等营养物质被迅速利用,产生大量酒精的阶段。黄酒主酵中,正常的酒精变化需要优良的酵母,因此,酒药的选择是个重点,若酒药选择不好,发酵醪中的酵母不健壮,则会导致发酵缓慢,酒精度上升速度不快,可发酵性糖含量偏高,易于酸败。除此之外,前酵和主酵温度的控制同样也是重点,若前酵温度过高,不利于酵母菌的生长;主酵温度偏高,则会使酒精含量上升速度超过一般水平,酵母衰亡快,也易引起杂菌污染。2.1.3酸发酵和酸酶发酵过程从图3可以看出,由于冲浆对发酵醪液的稀释,主酵起始时总酸的浓度较低,后迅速增高,并于发酵16h后达到4.0g/L,之后基本保持这一水平。这是因为在冲浆后酵母和一部分产酸菌乳酸菌会迅速增殖,当数量达到一定程度时,代谢旺盛,酵母发酵产酒精和少量有机酸,产酸菌则产生大量有机酸,使总酸不断上升,当达到4.0g/L的浓度后,酸度和酒精度的升高抑制了产酸菌的活性,当然这是一个逐渐的过程,综合作用下使总酸的含量稳定在4.0g/L。在黄酒发酵中,虽然有机酸对黄酒的香味和缓冲作用很重要,也存在以酸制酸之说,即利用乳酸菌繁殖产生的微酸环境,抑制产酸细菌繁殖,但是主酵乳酸菌的大量增殖会给后酵酸败带来隐患,如若后酵温度控制不善,乳酸菌会以主酵繁殖的乳酸菌量为基数,利用残糖进行大量增殖并产乳酸,使总酸含量直线上升。为消除这种酸败危险,应当在主酵防止乳酸菌的大量增殖,其主要措施就是严控主酵温度,使此温度不高于酵母生长作用温度。2.1.4氨基酸态氮的变化从图4中可以看出,冲浆后由于发酵醪的温度较低,不利于蛋白酶的作用(蛋白酶的最适温度为38~45℃),氨基酸态氮含量很低,之后随着发酵的进行,放热,温度升高,蛋白酶开始作用,氨基酸态氮含量有所上升。黄酒生产中,氨基酸态氮主要来自大米中蛋白质的分解,大米中蛋白质含量约为7%,发酵过程中,米中蛋白质在麦曲多种蛋白酶的作用下,分解形成肽和氨基酸。除此之外,麦曲中小麦也含有一定量的蛋白质,在制曲过程被霉菌和细菌所分泌的蛋白酶、羧(基)肽酶分解成氨基酸。从图4可以看出,在主酵期间,氨基酸态氮的含量维持在一个较低的水平,至主酵结束,氨基酸态氮的含量仅有0.123g/L,尽管这与工艺本身以及麦曲含量等有一定的关系,但也受到部分氨基酸被酵母菌和霉菌等同化为菌体蛋白,或生成高级醇等其它一系列因素的影响。2.2然后，对澄清过程中组分的变化2.2.1后酵期温度的控制后酵前期(后酵前9d)总糖含量呈下降趋势,后酵9d之后糖分逐渐稳定在7.2g/L。这是由于经过主酵和后酵前期原料中的糖分已经大部分被酵母消耗,且后酵采用灌坛工艺,温度无法人为控制,同时,由于酸和其它产物以及环境的抑制作用,酵母发酵作用减弱,糖分维持在一个相对稳定的水平。在黄酒生产中,这部分发酵终了残存的少量葡萄糖和糊精,使黄酒具有甜味和粘稠感。结果见图5。在黄酒后酵前期,当残糖较多未稳定之前,此时温度的控制仍是重点,尤其对于机械化黄酒生产,后酵前期的温度应尽可能地控制得低些,以防止酸败。即使对于灌坛工艺生产黄酒,虽然后酵的温度无法人为控制,但坛子表面积小,积热少,且一般这类黄酒的生产多选择在寒冷的深秋或冬季进行生产,温度较低。2.2.2后酵期酒精发酵从图6可以看出,后酵初期,酒精度呈上升趋势,并在后酵第7d达到最大值;从后酵第9d开始,总体有所下降。这种趋势与同期糖分变化相对应,后酵初期由于糖含量仍较高,以及温度环境等因素仍较适宜酵母菌的作用,所以,此时延续主酵的作用,继续产生酒精,促使酒精含量明显上升。后酵9d之后酒精度处在一个小范围的浮动范围内,这也显示了黄酒的发酵过程,尤其是后发酵阶段是一个复杂的生物化学过程。这一时期之后,酒精度受到各种因素的影响,如:酒(醇)转化为酯等各种风味物质,还有酒精本身也会在温度较高时挥发,图6中,酒精含量出现小幅波动。2.2.3不同菌种对黄油发酵过程中总酸的影响从图7中可以看出,后酵总酸含量在3.9~5g/L的范围内波动,呈现出先上升后下降之势。由于后酵灌坛工艺温度无法人为控制,残糖较少,酵母菌的主导地位不再明显,乳酸菌等一些生酸菌产生各种有机酸,表现在图中总酸有所上升,当然,这些酸在黄酒发酵过程中也是不可或缺的。因为,在后酵后期,黄酒营养物质和风味酯类物质的产生都需要酸的参与,表现在图中发酵后期总酸有所下降。但当主酵温度偏高,积累了大量乳酸菌,后酵温度稍高,这些乳酸菌就会利用残糖迅速增殖产酸,即使后期有部分酸参与黄酒风味物质的合成,但生成远大于消耗,总酸仍会迅速上升,甚至导致酸败。2.2.4氨基酸态氮含量对酒精发酵的影响后酵9d前氨态氮含量维持在0.21g/L,之后含量逐渐上升,到后酵19d上升至0.43g/L。蛋白质的分解是一个相对较慢的过程,尤其在后酵前期,由于酒精度相对较高,醪液中的酸性蛋白酶受其影响。后酵9d后,酒精度稍有下降,且出现大量的菌体自溶,游离于发酵醪中的菌体蛋白受蛋白酶的作用,分解成肽和氨基酸,因此,后酵9d后,氨基酸态氮含量逐渐升高。结果见图8。氨基氮含量是黄酒质量的一个重要指标,国家黄酒质量标准中要求黄酒氨基酸态氮的含量在0.4g/L以上。氨基氮的产生主要是在蛋白酶的作用下完成的,因此,除了原料中蛋白质的含量要达到要求外,更要满足蛋白酶的活力要求。3不同浓度糖化过程中总酸和总酸的变化黄酒发酵过程中,总糖呈现先逐渐下降后保持稳定的趋势,而酒精度则呈现先迅速升高后小幅波动之势,两者基本上表现为此消彼长的关系。当此关系出现异常时,如主酵酒精度上升速度过快时,会导致酵母早衰,易于污染杂菌,此时可能是因为主酵温度偏高或麦曲中糖化酶不够,可适当降低温度或添加糖化酶;又如糖增长较快时,较高的糖浓度不仅会抑制酵母菌等微生物的生长,而且会使糖向有机酸的方向转化,存在酸败的危险,此时应采取抑制糖化或促进发酵的措施,如增加酵母用量、提高发酵温度以及合理调配酒药和麦曲的用量。黄酒发酵过程中,总酸呈现先上升后下降的趋势,上升是由于酵母菌在发酵同时会产生少量酸,当然最主要的是当温度等环境因素适合一些产酸菌生长繁殖时,产酸菌产生大量有机酸;下降则是由于酒精度的升高抑制了产酸菌的繁殖,同时后酵黄酒营养物质和风味酯类物质的产生需要酸的参与。同时由以上对总酸的分析可知,为防止后酵酸败,应