酵母菌与酒精发酵

关于酵母菌与酒精发酵主要内容酵母菌的一般特性葡萄酒酿造中的主要酵母菌种酵母菌的成分和营养酒精发酵酵母的生长期影响酵母菌生长和酒精发酵的因素第2页,共70页，2024年2月25日，星期天酿造酒都是原料发酵后获得的酒精饮料。原料能转化为酿造酒主要是靠酵母的作用。酵母菌可以将原料中的糖分解为乙醇、二氧化碳和其它副产物，这一过程称为酒精发酵。由于酿造酒是在酵母菌等微生物的作用下酿成的，所以在进行酿酒时，必须首先了解酵母菌的性质、形态、培养方法、生长条件等。第3页,共70页，2024年2月25日，星期天酵母菌的一般特性酵母菌广泛分布于自然界中，种类繁多，已知的就有几百种。一般认为，酵母菌具有以下几个基本特征：①个体一般以单细胞状态存在；②多数以出芽方式繁殖，也有的可进行裂殖或产子囊孢子；③能发酵多种糖类；④细胞壁常含有甘露聚糖；⑤喜在含糖较高、酸性的环境中生长第4页,共70页，2024年2月25日，星期天酵母菌的一般特性在分类学上，用于酿酒的酵母菌，主要是属于真菌中的子囊菌纲酵母属，是一种单细胞微生物。取一滴正在发酵的葡萄汁，用400~500倍显微镜观察，可以看到很多酵母菌细胞，酵母菌细胞呈圆形、椭圆形、细长或柠檬形等，大小为６~20微米,呈半透明状。酵母菌细胞外面有一层由纤维素和半纤维素构成的细胞壁，内部含有细胞质和细胞核。新生酵母菌细胞膨胀丰满，细胞壁薄，细胞质均一，透明无色，只有一个液泡。但处于不良条件下的或衰老状态的酵母菌，其细胞壁加厚并出现皱纹，细胞质呈颗粒状。第5页,共70页，2024年2月25日，星期天出芽繁殖：是酵母菌最普遍的繁殖方式。出芽繁殖时，细胞核游向细胞壁，接着细胞在接近细胞核的一端生出一小突起，并进行细胞核分裂。分裂后一个子核进入小突起内，并膨大而成等体，另一子核留在母细胞内。以后母细胞与芽体接触处细胞壁收缩，使芽体与母细胞相隔离。成长的芽体与母细胞脱离或暂时联在一起，并可再出新芽。如此连续进行，各芽体可相互连续而形成假菌丝。这种繁殖方式在酒精发酵旺盛时最为常见。第6页,共70页，2024年2月25日，星期天分裂繁殖：酵母菌进行分裂繁殖时，首先细胞拉长，然后中间出现横隔而形成两个子细胞。繁殖很快时，两个子细胞尚未分离又各生一横隔，如此连续进行，可形成短链。第7页,共70页，2024年2月25日，星期天有性繁殖：当酵母菌所处的环境不利于其生长时(如温度过高、过低、缺乏营养物质等)，酵母菌细胞停止进行营养繁殖，而进行有性繁殖，产生子囊孢子。在有性繁殖时，细胞内的细胞核进行减数分裂，每个子细胞核产生新的细胞壁，而成为子囊孢子。母细胞的细胞壁加厚而成为子囊。每个子囊中有２至４个子囊孢子。子囊孢子处于休眠状态，只有当环境条件有利于其生长时，它才结束休眠。因此，子囊孢子是酵母渡过不良条件的形式(如越冬)。第8页,共70页，2024年2月25日，星期天葡萄酒酿造中主要酵母菌种与葡萄酒酿造相关的酵母有25属150种之多，进行正常的酒精发酵的主要是酿酒酵母；在酒精发酵中不起作用或作用很少的统称为野生酵母。引起葡萄酒腐败，产生异味和蹼（pǔ）膜的多为野生酵母的一些菌株，汉逊、毕赤氏和圆酵母都会引起二次发酵。第9页,共70页，2024年2月25日，星期天

与葡萄酒酿造有关的酵母分属于裂殖酵母属、克勒克酵母属、类酵母属、有孢汉逊酵母属、德巴利酵母属、梅奇酵母属、有孢圆酵母属、结合酵母属、酿酒酵母属、红酵母属、酒香酵母属、毕赤氏酵母属、德克氏酵母属以及假丝酵母属等，其中以酿酒酵母属最为重要。与葡萄酒酿造有关的酵母种类根据产地、成熟期的天气状况、葡萄的卫生状况等不同，每粒葡萄浆果表面的酵母菌细胞数量也不同，一般在103-105。采收并破碎后的葡萄汁中，酵母菌的细胞数量到达106。

第10页,共70页，2024年2月25日，星期天酵母的分类根据能否产生孢子，将酵母菌分为两大类，即子囊酵母(真酵母)和无子囊酵母(非产孢酵母，拟酵母)。真酵母既可进行营养繁殖，也可进行有性繁殖，属于子囊菌纲，拟酵母只能进行营养繁殖。第11页,共70页，2024年2月25日，星期天葡萄酒酵母的来源在成熟葡萄浆果果皮的蜡质层上，附着有天然酵母菌，已证实有野生酵母和酿酒酵母的存在，其中野生酵母以克勒克酵母、汉生酵母为主。在自然条件下,酵母菌的传播主要依靠昆虫，特别是果蝇。在葡萄采收以后，大部分酵母菌死亡，另一部分则以孢子状态进入土壤越冬，到翌年春季葡萄生长时，土壤中的酵母菌孢子又随风飘散，依附于葡萄果皮上重新繁殖。第12页,共70页，2024年2月25日，星期天葡萄酒厂内也有大量的酵母菌存在。发酵容器以及一切盛酒容器、管道，都是酵母菌繁殖的场所。在传统的葡萄和葡萄酒产区，酵母菌每年繁殖生长，逐渐适应了当地的气候条件、土壤条件和葡萄品种，并且由于自然选择的作用而形成适应于不同类型葡萄酒的菌系。而在新开辟的葡萄园或少量种植葡萄的地区，土壤中的酵母菌数量不多，而且质量也较差。葡萄酒酵母的来源第13页,共70页，2024年2月25日，星期天葡萄酒酒精发酵及酿造过程中酵母菌种类的变化自然发酵条件下，在酒精发酵过程中，不同的酵母菌种在不同的阶段产生作用，但种群的交替过程存在着交叉。酒精发酵的触发，主要是尖端酵母和发酵毕赤酵母的活动结果。原料一入罐酿酒酵母就可以占总酵母数的50%左右。酒精发酵后期（酵母衰减阶段），酿酒酵母群体数量逐渐下降，但仍能维持在106以上。正常情况，一直到酒精发酵结束，都不会出现其他的酵母。相反，在发酵中止的情况下，致病性酵母就会活动，导致葡萄酒病害。最常见和危害最大的是导致葡萄酒严重香气异常的间型酒香酵母。第14页,共70页，2024年2月25日，星期天在葡萄酒陈酿或装瓶后，其他酵母（致病菌）也可能活动。有些酵母可以氧化酒精，并且产膜，如毕赤氏酵母。另一些酵母，主要是酒香酵母和德克氏酵母，可利用葡萄酒中微量的糖进行厌氧活动。对甜型葡萄酒，一些酵母可在陈酿和装瓶后进行再发酵。这类酵母主要包括路德类酵母、拜耳结合酵母以及一些抗酒精和二氧化硫能力强的酿酒酵母株系。第15页,共70页，2024年2月25日，星期天酵母菌的成分和营养1酵母菌的成分酵母菌的化学成分根据种类和环境条件及培养基的不同而有所差别，构成酵母菌细胞的成分及其平均值如下：水：75％干物质：25%。其中： 碳水化合物：25-40％含氮物质：60-70％脂类：2-5％矿物质：5-10％。酵母菌的矿物质主要由磷酸（50－60％）和钾（30－40％）构成。第16页,共70页，2024年2月25日，星期天酵母菌所需的营养物质酵母菌的生长发育需要水、碳水化合物、含氮物质、维生素和无机盐等。在正常情况下，葡萄汁含有酵母菌需要的所有营养成分。当基质中不再含有酵母菌所需营养物质时，部分酵母菌自溶形成高级醇和氨基酸。第17页,共70页，2024年2月25日，星期天1碳水化合物 酵母菌不含叶绿素，不能像高等植物那样通过光合作用合成碳水化合物，而只能同化基质中的碳水化合物以获得所需的能量。酵母菌同化碳水化合物有两种方式，即在有空气条件下的呼吸作用和在无空气条件下的发酵作用。 酵母菌只能直接利用己糖(葡萄糖和果糖)。蔗糖预先经酵母菌本身分泌的转化酶或葡萄果实中的转化酶分解成己糖后，才能被酵母菌同化。第18页,共70页，2024年2月25日，星期天2含氮物质氮是酵母菌生长必不可少的元素。酵母菌不能直接同化大分子的蛋白质，只能利用肽、胨等蛋白质水解物。分子更小的胺态氮，特别是氨基酸，最容易为酵母菌同化。葡萄汁中一般含有足够的含氮物质，能保证酵母菌正常的生长和繁殖。第19页,共70页，2024年2月25日，星期天3矿质元素钾和磷是酵母菌生长必不可少的成分，钙并不是酵母菌的必需元素，而镁的存在，有利于酵母菌的活动。成熟的葡萄浆果中含有足够的能满足酵母菌正常生长繁殖所需要的矿质元素。第20页,共70页，2024年2月25日，星期天酵母菌的成分和营养2葡萄酒酵母所含的酶像其他生物活细胞一样，酵母菌细胞含有各种酶，以促进酵母生活所必需的各种生化反应。在多数情况下，酵母菌能同化葡萄汁中的B族维生素以构成多种酶的辅酶。大多数葡萄酒酵母分泌的酶，主要在发酵时起催化作用。但在酿成葡萄酒以后，一部分酶活力仍保留下来，对酒的老熟陈化有一定作用。酵母中所含的酶主要有以下几种。（1）脱羧酶(decarboxylase)酵母菌可同化葡萄汁中维生素B1以构成羧化酶的辅酶。羧化酶的作用是将丙酮酸转化为乙醛和二氧化碳：（2）脱氢酶(dehydrogenase)酵母菌同样可以同化葡萄酒中维生素PP，以构成脱氢酶的辅酶。乙醇脱氢酶的作用如下：第21页,共70页，2024年2月25日，星期天酵母菌的成分和营养2葡萄酒酵母所含的酶酵母菌吸收葡萄糖后，经EMP途径或戊糖循环途径，在丙酮酸脱羧酶和乙醇脱氢酶的作用下，将葡萄糖发酵生成乙醇和二氧化碳，并获得菌体生长的能量。（3）转化酶

酵母菌可分泌转化酶，将蔗糖水解为转化糖（即己糖）。但克氏酵母和贝酵母不能分泌转化酶，而只能依靠葡萄汁中存在的转化酶将蔗糖水解为转化糖。转化酶很容易透过酵母细胞膜，所以添加到葡萄醪中的蔗糖快转化发酵。（4）其他酶类

除上述酶外，酵母菌还能分泌蛋白酶(proteases)，可将醪中的蛋白质分解成更简单的含氮物质（如氨基酸）；氧化酶(oxidases)，它能促进葡萄酒的氧化（陈化、色素的沉淀等）；还原酶(reductases)，可使某些物与氢结合发生还原作用，尤其是与含硫物质作用生成硫化氢（酒脚味）。第22页,共70页，2024年2月25日，星期天酵母菌的代谢1.发酵作用在无空气（嫌气）条件下，酵母菌通过糖酵解途径代谢降解生成的丙酮酸不能继续代谢分解，使己糖呈不完全分解，生成乙醇和二氧化碳，并获得能量，这一过程叫做发酵。酵母菌只能直接利用己糖（葡萄糖和果糖）。蔗糖预先经酵母菌本身分泌的转化酶或葡萄果实中的转化酶分解成己糖后，才能被酵母菌同化。当基质中不再含有酵母菌所需营养物质时，它可以通过自溶现象利用自身的物质而继续生存。酵母菌自溶而形成的高级醇和氨基酸，成为酒精发酵结束后乳酸菌的营养物质。第23页,共70页，2024年2月25日，星期天酵母菌的代谢第24页,共70页，2024年2月25日，星期天第25页,共70页，2024年2月25日，星期天酵母菌的代谢第26页,共70页，2024年2月25日，星期天第27页,共70页，2024年2月25日，星期天酵母菌的代谢第28页,共70页，2024年2月25日，星期天第29页,共70页，2024年2月25日，星期天酒精发酵2.呼吸作用在有空气（好气）条件下，酵母菌主要通过柠檬酸（TCA）循环和乙醛酸循环以及呼吸链的电子传递系统的呼吸作用，将己糖完全氧化，分解成水和二氧化碳，从而获得能量1个葡萄糖分子，如果在好气下，完全被氧化，除生成6分子二氧化碳和6分子水外，还将生成36~38个ATP第30页,共70页，2024年2月25日，星期天第31页,共70页，2024年2月25日，星期天第32页,共70页，2024年2月25日，星期天第33页,共70页，2024年2月25日，星期天第34页,共70页，2024年2月25日，星期天第35页,共70页，2024年2月25日，星期天酵母菌的代谢第36页,共70页，2024年2月25日，星期天第37页,共70页，2024年2月25日，星期天第38页,共70页，2024年2月25日，星期天第39页,共70页，2024年2月25日，星期天第40页,共70页，2024年2月25日，星期天第41页,共70页，2024年2月25日，星期天第42页,共70页，2024年2月25日，星期天酒精发酵的主要副产物1甘油： 主要在发酵开始时由甘油发酵而形成。在葡萄酒中，其含量为6-10g/L，甘油具甜味，可使葡萄酒圆润。葡萄酒中甘油的含量还受以下因素的影响：①酵母菌种：一些菌种的产甘油能力强于其它菌种。②基质：基质中糖含量高、SO2含量高则葡萄酒甘油含量高。第43页,共70页，2024年2月25日，星期天2

乙醛:

可由丙酮酸脱羧产生,也可在发酵以外由乙醇氧化而产生。在葡萄酒中乙醛的含量为20－60mg/L，有时可达300mg/L。乙醛可与SO2结合形成稳定的亚硫酸乙醛。这种物质不影响葡萄酒的质量，而游离的乙醛则使葡萄酒具氧化味，可用SO2处理，使这种氧化味消失。

第44页,共70页，2024年2月25日，星期天3

醋酸

醋酸是构成葡萄酒挥发酸的主要物质，在正常发酵情况下，醋酸在葡萄酒中的含量为0.2－0.3g/L，它是由乙醛经氧化还原作用而形成的：葡萄酒中醋酸含量过高，就会具酸味。一般规定，白葡萄酒挥发酸含量不能高于0.88g/L（以H2SO4计），红葡萄酒不能高于

0.98g/L（以H2SO4计）。

4

琥珀酸 在所有的葡萄酒中都存在琥珀酸，但其含量较低，一般为0.6－1.5g/L。

第45页,共70页，2024年2月25日，星期天5

乳酸 在葡萄酒中，其含量一般低于1g/L，主要来源于酒精发酵和苹果酸-乳酸发酵。第46页,共70页，2024年2月25日，星期天6

双乙酰与乙偶姻

双乙酰、乙偶姻是参与葡萄酒风味形成的一类重要的4C羰基化合物、它们对葡萄酒风味影响较为复杂。其中，乙偶姻不是强风味活性物质，它们在葡萄酒中的嗅觉阈值很高(150mg/L以上）；而双乙酰能够使酒精饮料产生不良风味，在葡萄酒中其阈值只有8mg/L。双乙酰和乙偶姻在酵母代谢和葡萄酒环境下，能够借助酶促反应和非酶反应相互转变，二者最终都能够被氧化为2，3-丁二醇。第47页,共70页，2024年2月25日，星期天1

高级醇 杂醇油，碳原子数大于2的脂肪族醇类，在所有酵母进行的发酵中，都会产生一定量的高级醇。在葡萄酒中的含量很低，但它们是构成葡萄酒香气的主要物质，在葡萄酒中的高级醇有异丙醇、异戌醇等，主要是由氨基酸形成的。酒精发酵的其他副产物第48页,共70页，2024年2月25日，星期天2

酯类 葡萄酒中含有有机酸和醇类，而有机酸和醇可以发生酯化反应，生成各种酯类化合物，葡萄酒中的酯类物质可分为两大类。第一类为生化酯类，它们是在发酵过程中形成的。其中最重要的为乙酸乙酯，是乙醇和乙酸经酯化反应形成的，即使含量很少（0.15－0.20g/L）也具有酸味。第二类为化学酯类，它们是在陈酿过程中形成的，其含量可达１g/L。化学酯类的种类很多，是构成葡萄酒香气的主要物质。

第49页,共70页，2024年2月25日，星期天此外，在酒精发酵过程中，还产生很多其它副产物，它们都是由酒精发酵的中间产物—丙酮酸所产生的，并具有不同的味感。如：具辣味的甲酸，具烟味的延胡索酸，具酸白菜味的丙酸，具榛子味的乙酸酐，具杏仁味的3-羟丁酮等。

第50页,共70页，2024年2月25日，星期天酵母菌的生长周期将酵母菌的生长周期分为三个阶段。１．繁殖阶段。酵母菌迅速出芽繁殖，逐渐使其群体数量达10７个/mL左右。这一阶段可持续2-5天。２．平衡阶段。在这一阶段中酵母菌活细胞群体数量不增不减，几乎处于稳定状态。这一阶段可持续8天左右；３．衰减阶段。酵母菌活细胞群体数量逐渐下降，直至105个/mL左右。这一阶段可持续几个星期。第51页,共70页，2024年2月25日，星期天第52页,共70页，2024年2月25日，星期天特点：持续的时间很长；酵母菌生长量有限，最多只能繁殖4-5代;酵母菌生长的停止并不是由于糖的消耗引起的；生长周期各阶段持续的时间差异很大，衰减阶段可比繁殖阶段长3-4倍。第53页,共70页，2024年2月25日，星期天影响酵母菌生长和酒精发酵的因素

1.葡萄酒酒精发酵温度：酵母菌在低于0℃的温度条件下不能生长繁殖，但其孢子可以抵抗-200℃的低温。液体中酵母的活动最适温度为20-30℃。当温度达到20℃时，酵母菌的繁殖速度加快，在30℃时达到最大值.而当温度继续升高达到35℃时，其繁殖速度迅速下降，酵母菌呈疲劳状态，酒精发酵有停止的危险。只要保持1～1.5小时40-45℃或保持10-15分钟60-65℃的温度就可杀死酵母。干态酵母抗高温的能力很强，可忍受五分钟115-120℃的高温。第54页,共70页，2024年2月25日，星期天1)发酵速度与温度在２０℃至３０℃的温度范围内，每升高１℃，发酵速度就可提高１０％。因此发酵速度(即糖的转化)随着温度的提高而加快。但是，发酵速度越快，停止发酵越早，因为在这种情况下，酵母菌的疲劳现象出现较早。

2)发酵温度与产酒精效率在一定范围内，温度越高，酵母菌的发酵速度越快，产酒精效率越低，而生成的酒度就越低。因此，如果要获得高酒度的葡萄酒，必须将发酵温度控制在足够低的水平上。第55页,共70页，2024年2月25日，星期天3）发酵临界温度当发酵温度达到一定值时，酵母菌不再繁殖，并且死亡，这一温度就称为发酵临界温度。如果超过临界温度，发酵速度就大大下降，并引起发酵停止。由于发酵临界温度受许多因素如通风、基质的含糖量、酵母菌的种类及其营养条件等的影响，所以很难将某一特定的温度确定为发酵临界温度。在实践中主要利用

“危险温区”这一概念。在一般情况下，发酵危险温区为32-35℃。但这并不是表明每当发酵温度进入危险区，发酵就一定会受到影响，并且停止，而只表明，在这一情况下，有停止发酵的危险。需要强调指出的是，在控制和调节发酵温度时，应尽量避免温度进入危险区，而不能在温度进入危险区以后才开始降温，因为这时，酵母菌的活动能力和繁殖能力已经降低。对于红葡萄酒，发酵最佳温度为26-30℃，而对于白葡萄酒和桃红葡萄酒,发酵的最佳温度为18-20℃左右。

第56页,共70页，2024年2月25日，星期天通风酵母菌繁殖需要氧，在完全的无氧条件，酵母菌只能繁殖几代，然后就停止。这时，只要给予少量的空气，它们又能出芽繁殖。如果缺氧时间过长，多数酵母菌细胞就会死亡。在进行酒精发酵以前，对葡萄的处理(破碎、除梗、泵送以及对白葡萄汁的澄清等)保证了部分氧的溶解。在生产中常用倒罐的方式来保证酵母菌对氧的需要。第57页,共70页，2024年2月25日，星期天

酸度

酵母菌在中性或微酸性条件下，发酵能力最强。如在pＨ4.0的条件下，其发酵能力比在pH3.0时更强。在pＨ值很低的条件下，酵母菌活动生成挥发酸或停止活动。酸度高并不利于酵母菌的活动，但却能抑制其它微生物(如细菌)的繁殖。第58页,共70页，2024年2月25日，星期天酵母代谢产物的影响在对酒精发酵停止原因的研究中发现，在发酵过程中，酵母菌本身可以分泌一些抑制自身活性的物质。这些抑制发酵的物质是酒精发酵的中间产物，主要是脂肪酸。所以除去这些脂肪酸可以促进酒精发酵，防止发酵中止。在酒精发酵过程，活性碳可以吸附这些脂肪酸，从而促进酒精发酵。克服发酵中止。但是，在葡萄酒中加入活性碳后很难将之除去，而且很多国家限制活性碳的使用。所以，活性碳的这一特性难以实际应用。第59页,共70页，2024年2月25日，星期天酵母菌皮的利用酵母菌皮(用高温杀死酵母菌而获得)同样具有这种吸附特性。发酵前加入0.2－1g/L的酵母菌皮，可大大加速发酵，而且使发酵更为彻底。虽然与对照相比，加入酵母菌皮并不增加酵母群体总量，但可提高发酵结束时的活性酵母数量。第60页,共70页，2024年2月25日，星期天第61页,共70页，2024年2月25日，星期天酵母菌皮除可用于防止发酵中止外，还可用于发酵停止的葡萄酒重新发酵。在这种情况下，第一次发酵由于各种原因自然中止，含有大量残糖。这时加入酵母菌皮，可除去有毒脂肪酸，使发酵重新触发，而且与对照相比，发酵更为彻底。大量实验结果还表明，酵母菌皮不仅能有效地防止发酵的中止和触发发酵中止的葡萄酒的再发酵，而且不影响葡萄酒的感官特征。第62页,共70页，2024年2月25日，星期天影响酵母菌生长和酒精发酵的因素

2.啤酒酒精发酵麦汁组合理性：麦汁浓度的高低，即糖与非糖的比值，对酵母菌吸收与代谢都具有重要影响：淡色啤酒，一般控制为1：0.3左右；高温糖化法生产低醇或无醇啤酒，一般控制为1：0.7左右；非糖含量尽量高一些；生产干啤酒，一般控制为1：0.2左右，非糖含量尽量低一些。另外，在原料不变的情况下，糖化各阶段严格控制pH以适应各种酶的作用。第63页,共70页，2024年2