高濃麥汁改良提高啤酒酵母發(fā)酵性能的研究進展

趙伯辰，雷宏杰

（1.西北農林科技大學食品科學與工程學院，陜西楊凌712100；2.雪花啤酒（西安）有限公司，陜西西安710018）

高濃麥汁改良提高啤酒酵母發(fā)酵性能的研究進展

趙伯辰1，2，雷宏杰1

（1.西北農林科技大學食品科學與工程學院，陜西楊凌712100；2.雪花啤酒（西安）有限公司，陜西西安710018）

啤酒高濃釀造技術由于可在不增加生產設備的基礎上大幅提高啤酒產量、降低能耗和勞動力、改善啤酒口感而深受啤酒釀造商的青睞。但該技術對酵母菌種的要求非?？量?，高滲透壓脅迫和高乙醇毒性導致酵母生長緩慢、細胞活性降低，嚴重影響到酵母的發(fā)酵性能和啤酒品質。目前，多種酵母營養(yǎng)添加物已經應用于高濃麥汁中來改善酵母的發(fā)酵性能，包括金屬離子、脂肪酸、甾醇和氮源等。改善麥汁營養(yǎng)組成可降低酵母細胞對外界壓力的敏感性從而提高其發(fā)酵性能。但是，麥汁組成的改變很可能對啤酒口感、酒體穩(wěn)定性和啤酒泡沫產生不利的影響。系統(tǒng)綜述了國內外通過添加多種營養(yǎng)物質優(yōu)化麥汁組成改善細胞生理特性、酵母發(fā)酵性能及啤酒產品質量的研究進展。

啤酒；高濃麥汁；啤酒酵母；啤酒質量

啤酒高濃釀造技術在現代啤酒工業(yè)生產中得到了廣泛的應用。該技術優(yōu)勢是可大幅提高生產能力及設備利用率、降低能耗及勞動力、減少廢水的排放量［1］。盡管大多數啤酒釀造商采用高濃麥汁（16～18°P）進行啤酒生產，但一些半工業(yè)規(guī)模的試驗已經提出了超高濃麥汁釀造的可行性（20～25°P）［2］。超高濃麥汁發(fā)酵表現出較低的發(fā)酵速度、酯類物質含量顯著升高、酵母細胞生長的遲滯期延長、啤酒泡沫穩(wěn)定性差、啤酒殘?zhí)橇可?、酵母循環(huán)利用次數減少等缺點［3］。超高濃啤酒釀造技術的進一步產業(yè)化需要對一系列因素進行逐一優(yōu)化（酵母細胞的耐受性、發(fā)酵性能、發(fā)酵過程工藝參數等）。本文綜述了通過在麥汁中添加金屬離子、脂類及酵母營養(yǎng)劑來改善發(fā)酵性能的可行性，并分析了其對啤酒質量的影響。

1　金屬離子（Zn2+）

很早就有學者提出Zn2+在麥汁發(fā)酵中起到非常關鍵的作用。目前啤酒釀造工業(yè)生產中Zn2+的添加最為普遍。麥汁中通常含有0.1～5.0 mg/L的Zn2+，其含量的大小取決于麥芽的品種及麥汁的制備工藝［4］。麥汁中的Zn2+只代表麥芽中Zn2+的一小部分，大部分Zn2+仍然存在于麥糟中或者參與了蛋白質的沉降及麥汁的澄清［5］。Zn2+在酵母細胞中扮演多重角色，可作為一系列蛋白質（糖酵解和醇類合成途徑的蛋白酶）的結構或者催化輔因子［6］。在搖瓶發(fā)酵［7］和恒化器培養(yǎng)［8］過程中，Zn2+的缺乏會導致幾十個基因的調控發(fā)生改變，這是由于大約3%的酵母蛋白組需要Zn2+的參與才能發(fā)揮正常的功能［9］。De Nicola等［8］發(fā)現：受Zn2+調控其轉錄的基因扮演著多種多樣的生物學角色，包括儲存碳水化合物的代謝、線粒體的生物發(fā)生學以及通過支鏈氨基酸合成基因調控風味物質的形成。而且，Zn2+在鋅指結構DNA結合蛋白（Msn2p和Msn4p）的形成過程中起著非常重要的作用，此類蛋白質調控酵母細胞對外界壓力的響應［10］。

Zn2+在啤酒釀造過程中的重要性可反映在發(fā)酵開始的幾小時內酵母細胞對其的快速吸收［11］。Zn2+通過細胞壁被運輸至胞內儲存于液泡中［12］。麥汁中Zn2+的水平經常處于波動狀態(tài)，但常濃麥汁中（12°P）0.2 mg/L的Zn2+濃度可保證最佳的發(fā)酵速度，如果低于0.1 mg/L則會影響發(fā)酵的正常進行。Zn2+的添加可提高酵母的生長速度，改善其發(fā)酵性能［13］。然而，在發(fā)酵過程中有很多因素會影響到酵母細胞對Zn2+的需求。Helin和Slaughter［14］研究發(fā)現，細胞對Zn2+的需求受到麥汁中Mn2+濃度的影響，當麥汁中Mn2+水平很低（＜0.01 mg/L）時，0.6 mg/L的Zn2+對發(fā)酵產生抑制作用。但酵母的生理狀況不會受到Zn2+濃度的影響（即使達到500 mg/L）［15］。盡管存在菌種特異性，但一般來講，與上面發(fā)酵酵母菌株相比，下面發(fā)酵酵母菌株能更好地適應過高濃度的Zn2+。過高濃度的Zn2+所產生的不利影響在超高濃麥汁（20°P）發(fā)酵中并不明顯，這可能是因為原麥汁中Zn2+水平較低或者Mn2+濃度的不同所致［16］。然而，金屬離子之間的相互作用并不局限于Mn2+，其他金屬離子（Ca2+、Mg2+、K+和Na+）也會影響Zn2+對酵母發(fā)酵性能的促進效果［13］。這些作用可能涉及到多種離子對螯合大分子如麥汁中的氨基酸和肽鏈上的結合位點存在競爭性的作用。

Zn2+的添加量達到0.5 mg/L時對酵母細胞代謝（高級醇和酯類化合物）會產生較大的影響［13］。添加Zn2+會導致啤酒中異丁醇和異戊醇的濃度升高，酯類物質的合成也會受到高濃度Zn2+的刺激，乙酸乙酯、乙酸異戊酯、己酸乙酯等含量均呈上升趨勢。Zn2+對啤酒泡沫特性也有一定的影響，Evans和Sheehan［17］研究表明，麥芽中的多種金屬離子濃度（包括Zn2+）和泡沫穩(wěn)定性之間存在著正相關性。這是因為麥芽蛋白含量改變或麥汁中Zn2+含量的升高（酵母活力）會降低對泡沫不利的物質的釋放（如蛋白酶等）。研究發(fā)現金屬離子對泡沫穩(wěn)定性的影響與麥芽中的離子含量有關，與啤酒中的離子含量無關，表明離子并不是通過與異α-酸之間的交聯作用來穩(wěn)定啤酒泡沫［18］。

2　脂肪酸

麥汁中的懸浮固形物種類繁多［19］，很多研究提出了其中脂肪酸的重要性，特別是軟脂酸（16∶0）和亞油酸（18∶2）對發(fā)酵以及啤酒特征具有突出的貢獻。早期研究表明，純亞油酸對酵母細胞產生醋酸酯類化合物有著不利的影響［20］。Lentini［21］發(fā)現在發(fā)酵過程中酵母細胞膜上來源于麥芽的亞油酸與酯類化合物的合成直接相關。其他研究者提出，亞油酸的添加可提高發(fā)酵速度，增大酵母細胞生長量以及細胞活性，促進乙醇的生成，但不會提高高級醇的生成［22］。麥汁中添加軟脂酸和油酸可增強酵母細胞對氮的吸收，同樣在葡萄汁中添加亦可提高酵母的生長速度、改善發(fā)酵性能、增強風味化合物的形成［23］。

Moonjai等［22］則致力于通過添加油脂來降低發(fā)酵系統(tǒng)對氧氣需求量的可行性。在麥汁中充入少量的氧氣就可以提高啤酒的風味穩(wěn)定性，也可以限制酵母細胞中潛在的氧化應激反應。不飽和脂肪酸（UFA）通常是經過耗氧反應生成，UFA的添加可減少酵母細胞對氧的需求。Hull［24］探索了在工業(yè)大生產中添加UFA來替代麥汁充氧的可行性，在其研究中，發(fā)酵前接種酵母液中添加橄欖油（油酸中的一種）來代替麥汁充氧，對啤酒質量沒有大的影響。因此，UFA的添加可作為充氧的替代手段，特別是在氧氣溶解很大程度上受到抑制的高濃和超高濃麥汁中具有非常重要的意義［25］。同樣，通過在高濃麥汁中添加UFA提高細胞膜的不飽和度也可增強酵母細胞對乙醇的耐受性［26］，確保發(fā)酵的正常進行。

啤酒泡沫的泡持性和掛壁會受到長鏈脂肪酸的影響，而受到短鏈脂肪酸（≤C10）的影響較小。但麥汁中的長鏈脂肪酸濃度非常低，對泡沫的影響不大［27］。據研究表明，如果麥汁中加入對泡沫不利的油脂，其作用會暫時受到限制，當時間充分時，這種不利的影響會通過油脂與油脂結合蛋白之間的相互作用而消失［28］。固定化油脂結合蛋白的使用可增強很多商業(yè)啤酒的泡沫穩(wěn)定性［29］。事實上油脂也可能對啤酒泡沫特性產生好的影響。Furukubo等［30］發(fā)現，堿性氨基酸與促進起泡的異α-酸之間相互作用而導致啤酒泡沫變差，但可通過添加UFA提高細胞對氨基酸的吸收而得到緩解［23］。

3　甾醇

甾醇在酵母細胞膜中影響多重生物學過程［31］，但與UFA一樣，在高濃釀造中緩解細胞壓力上起到了重要的作用。然而當酵母細胞在乙醇存在的情況下甾醇含量卻較低，麥角固醇含量較高［32］。而且細胞膜上高濃度的麥角固醇與細胞對乙醇的耐受性呈現明顯的正相關［33］。麥角固醇的保護作用機制是降低細胞膜的流動性［34］。酵母細胞無法在無氧條件下合成麥角固醇，可通過促進擴散從麥汁中吸收［35］。在無氧的高濃麥汁中添加麥角固醇可提高發(fā)酵速度、生產力、氨基氮的消耗和細胞生長及活性［36］。此外，麥角固醇的添加還可以提高酵母的循環(huán)利用次數至5次且發(fā)酵性能沒有明顯的降低［37］。

培養(yǎng)基中添加多種甾醇可提高酵母細胞對高滲透壓的耐受性，麥角固醇和豆甾醇的效果最佳［38］。另外，當酵母細胞受到鹽的壓力脅迫時細胞膜上的麥角固醇含量也會升高［39］。因此，高濃釀造條件下麥角固醇也可能參與到保護細胞免受滲透壓破壞的過程中。

4　酵母營養(yǎng)劑（酵母膏）

已經有人證實，在培養(yǎng)基中加入酵母膏或者由酵母膏制成的營養(yǎng)劑均可改善酵母發(fā)酵性能。該培養(yǎng)基包括：富含葡萄糖的培養(yǎng)基［40］、龍舌蘭汁［41］、高濃及超高濃麥汁［36］。酵母膏的使用可提高酵母的生長及細胞活性、提高糖的利用率及乙醇產量［41］。在使用酵母營養(yǎng)劑時，不僅是游離氨基氮水平，其氨基酸組成也是非常關鍵的因素。不同的氨基酸對發(fā)酵性能的影響不同，例如脯氨酸在發(fā)酵過程中就不會被酵母利用，但在保護酵母細胞抵抗高乙醇或高滲透壓脅迫的過程中起到了很重要的作用［42］。Thomas等［43］發(fā)現，谷氨酸（3 g/L）可改善小麥芽糖化液的發(fā)酵性能，但甘氨酸的作用卻是相反的，賴氨酸的添加降低了細胞活性和發(fā)酵性能，與單一的氮源相比，復雜的氮源（酪蛋白水解物）則更有利于提高酵母的發(fā)酵性能。Ingledew等［44］認為，酵母營養(yǎng)劑改善發(fā)酵性能不僅提高了氮源的利用率，而且還為酵母細胞提供了維生素和金屬離子。很多研究表明，酵母膏或者營養(yǎng)劑中含有Mg2+，有助于提高酵母的發(fā)酵性能［45］。

常濃麥汁中添加酵母營養(yǎng)劑會刺激高級醇和酯類化合物的合成，這是因為營養(yǎng)劑提高了酵母對麥汁中氨基酸的吸收率［46］。Casey等［47］則發(fā)現，在超高濃麥汁中添加酵母膏會降低啤酒中的高級醇濃度，提高酯類化合物的濃度，乙酸乙酯和乙酸異戊酯的含量可分別提高40%和80%。研究表明，酵母膏的添加對高輔料麥汁更加有利，由40%大米輔料的麥汁發(fā)酵生產的啤酒感官品評較差，雙乙酰含量較高、口感較差。而酵母膏的添加可明顯改善以上問題，幾乎和全麥芽麥汁發(fā)酵的啤酒口感相同［48］。酵母膏和營養(yǎng)劑成分的復雜性導致人們對啤酒風味物質及感官品評結果難以進行解釋。風味物質可能更大程度上跟添加物的氨基酸組成有關，眾所周知，酵母膏的氨基酸組成含量因原料問題經常波動較大，進而會影響到高級醇、酯和SO2的生成［49］。

5　結論

國內外研究學者盡管歷經數十年的研究探索，超高濃麥汁釀造技術（≥20°P）迄今為止并未在工業(yè)生產中得到應用。目前所關注的能耗問題及原輔材料的可利用程度給予了我們新的研究方向。本文論述了高濃麥汁中營養(yǎng)物質的補充對改善酵母發(fā)酵性能的促進作用以及對啤酒質量的影響。多種多樣的添加物已經廣泛地應用于生物乙醇的超高濃發(fā)酵過程中，并且近幾年人們對此有了進一步的了解。然而啤酒釀造過程因多種因素的限制變得更為復雜（發(fā)酵過程參數、風味、泡沫、酵母活力），因此在啤酒釀造中添加營養(yǎng)物質的時候必須綜合各項因素考慮。超高濃麥汁釀造技術的成功應用勢必具有非常大的優(yōu)勢，特別是在降低環(huán)境污染及節(jié)約能源方面。但是，需要設計出一套完善的方案，不僅僅是優(yōu)化麥汁的營養(yǎng)組成，還要對釀造工藝參數進行調整，并且篩選出具有良好發(fā)酵性能的酵母菌種。

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Research Progress in High-Gravity Wort to Improve the Fermenting Performance of Beer Yeast

ZHAO Bochen1，2and LEI Hongjie1
（1.College of Food Science&Engineering，NorthwestA&F University，Yangling，Shaanxi 712100；2.Snow Beer（Xi'an）Co.Ltd.，Xi'an，Shaanxi 710018，China）

High-gravity brewing technology of beer is quite popular among breweries because it could greatly increase beer yield，reduce energy consumption and labor force，and improve beer taste without any addition of production equipments.However，such technology has extreme requirements for beer yeast species because osmotic stress and high-alcohol toxicity would result in slow growth of yeast and low cell activity which would further deteriorate yeast fermenting performance and beer quality.At present，multiple yeast nutritional additives including metal ions，fatty acids，sterol and nitrogen source etc.are used in high-gravity wort to improve the fermenting performance of yeast.The change in wort nutritional composition could decrease the sensitivity of yeast cells to ambient pressure and further improve yeast fermenting performance.However，the change in wort nutritional composition would possibly damage beer taste，beer stability and beer foam.In this paper，the research progress in the change of wort nutritional composition by adding multiple nutritional substances to improve yeast fermenting performance and beer quality at home and abroad was reviewed.（Trans.By YUE Yang）

beer；high-gravity wort；beer yeast；beer quality

TS262.5；TS262.54；TS262.57

A

1001-9286（2016）10-0094-05

10.13746/j.njkj.2016157

2016-05-09

優(yōu)先數字出版時間：2016-07-11；地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/52.1051.TS.20160711.1043.001.html。