降低上面發(fā)酵小麥啤酒頭痛感的釀造條件優(yōu)化

崔云前，葉國超，魏麗培，魏世雄

（齊魯工業(yè)大學生物工程學院，山東濟南250353）

降低上面發(fā)酵小麥啤酒頭痛感的釀造條件優(yōu)化

崔云前，葉國超，魏麗培，魏世雄

（齊魯工業(yè)大學生物工程學院，山東濟南250353）

啤酒上頭的原因主要是較高的醇酯比和乙醛含量。為降低上面發(fā)酵小麥啤酒頭痛感，對其發(fā)酵條件進行優(yōu)化，并通過氣相色譜（GC）檢測啤酒中高級醇、酯類和乙醛等風味物質含量。結果表明，最優(yōu)發(fā)酵條件為發(fā)酵溫度18℃（醇酯比2.02、乙醛含量3.51 mg/L）、發(fā)酵壓力0.12 MPa（醇酯比2.01、乙醛含量2.75 mg/L）和零代酵母（醇酯比2.20、乙醛含量2.76 mg/L）。在此條件下發(fā)酵的小麥啤酒醇酯比為2.0～2.5，乙醛含量＜4 mg/L，不易引起上頭。

上面發(fā)酵小麥啤酒；頭痛感；醇酯比；乙醛

上面發(fā)酵小麥啤酒以其潔白細膩的泡沫、濃郁的香味、強烈的殺口力、略酸的口感、較低的苦味廣受消費者青睞［1］。其采用上面發(fā)酵酵母高溫發(fā)酵（發(fā)酵溫度15～25℃），帶來豐富酯香、飽滿風味的同時卻容易引起頭痛即上頭。高級醇、乙醛隨血液循環(huán)進入腦部，使腦神經細胞收縮、痙攣，引起上頭；而酯類進入腦后，使腦神經細胞松弛、擴張，抵消了高級醇、乙醛的上頭作用［2］。因此，引起上頭的主要原因是較高的醇酯比（高級醇與酯類含量之比）和乙醛含量［3-4］。

高級醇俗稱雜醇油，是指3個碳原子以上的醇類總稱，是啤酒中重要的風味物質。啤酒中高級醇主要有正丙醇、異丁醇、異戊醇、苯乙醇等［5］。酯類是啤酒風味物質的主要成分，含量雖少，但對啤酒風味影響極大，主要有乙酸乙酯（溶劑味）、乙酸異戊酯（香蕉味）、乙酸異丁酯（水果味）、乙酸苯乙酯（玫瑰花香和蜂蜜香味）、己酸乙酯（甜蘋果味）、辛酸乙酯（酸蘋果味）等［5-6］。一般情況下，啤酒醇酯比≥6易上頭，醇酯比≤4.7不易上頭，醇酯比在2.5～4.7之間風味最優(yōu)［4，7-8］。有報道［9］指出，啤酒過濾損失酯類引起醇酯比升高0.4，故考慮到啤酒過濾灌裝可能造成酯類更多的損失導致醇酯比升高，在此之前必須保證啤酒醇酯比＜2.5，才能保證消費者買到的啤酒風味最佳。乙醛是在啤酒發(fā)酵前期大量形成的一種中間代謝物質、生青味物質，影響著啤酒的風味和穩(wěn)定性，優(yōu)質啤酒中乙醛含量為2～8 mg/L［3，10］。

隨著經濟的發(fā)展，人們生活水平逐漸提高、消費觀念逐漸增強，小規(guī)模上面發(fā)酵小麥啤酒生產已無法滿足人們的需求。本試驗以2 t啤酒發(fā)酵設備對上面發(fā)酵小麥啤酒的發(fā)酵條件進行中試規(guī)模優(yōu)化，能較準確地模擬大規(guī)模生產，是實驗室和小規(guī)模設備無法比擬的。研究發(fā)酵溫度、發(fā)酵壓力及酵母代數(shù)等發(fā)酵條件對啤酒中高級醇、酯類和乙醛等風味物質含量的影響，以期獲得降低頭痛感的最優(yōu)條件，為大規(guī)模生產上面發(fā)酵小麥啤酒的優(yōu)化提供一些理論和實踐的基礎。

1　材料和方法

1.1材料與試劑

大麥芽、小麥芽：永順泰（昌樂）麥芽有限公司；苦型酒花顆粒：張掖斯丹納酒花有限公司；上面發(fā)酵啤酒酵母DM 303：德國Doemens啤酒學院提供，齊魯工業(yè)大學中德啤酒技術中心保藏；氯化鈉（分析純）：天津市大茂化學試劑廠；4-甲基-2-戊醇（分析純）、乙醇（色譜純）：美國Sigma公司。

1.2儀器與設備

2 t啤酒發(fā)酵設備（1 t糖化煮沸鍋和2 t發(fā)酵罐）：濟南中德啤酒有限公司；6820氣相色譜儀（gaschromatograph，GC）、DB-WAXETR毛細管色譜柱（30 m×0.53 mm×1.0 μm）火焰離子化檢測器（flame ionization detector，F(xiàn)ID）：安捷倫科技（上海）有限公司；頂空固相微萃取裝置（headspace-solid phase microextraction，HS-SPME），包括SPME手柄和聚丙烯酸樹脂（Poly（acrylic acid），PA）萃取頭（85 μm）：美國SUPELCO公司；Xutemp恒溫水浴鍋：杭州雪中炭恒溫技術有限公司。

1.3試驗方法

1.3.1酵母擴培

1.3.2工藝流程

1.3.3優(yōu)化設計

在相同設備和糖化工藝條件下，得到11°P麥汁（40%小麥芽），接種零代酵母（滿罐酵母數(shù)1.0×107CFU/m L），控制發(fā)酵20℃發(fā)酵，當糖度降到4.3°P后封罐保溫20℃保壓0.14 MPa還原雙乙酰，待雙乙酰含量＜0.1 mg/L后降溫至5℃維持24 h（保壓0.14 MPa），再降溫至0℃，冷貯保壓5 d，即得發(fā)酵成熟的嫩啤酒，利用氣相色譜儀檢測啤酒中高級醇、酯類和乙醛等風味物質含量。在此工藝基礎上，通過改變發(fā)酵條件：發(fā)酵溫度、發(fā)酵壓力及酵母代數(shù)等單因素，研究其對啤酒中高級醇、酯類和乙醛等風味物質含量的影響（試驗平行三組），以得最優(yōu)發(fā)酵條件。

1）發(fā)酵過程采取3個溫度：16℃、18℃和20℃。

2）在糖度降到4.3°P后封罐，分別采取了0.12 MPa、0.14 MPa和0.16 MPa保壓發(fā)酵。

3）采用0、40%小麥芽的11°P麥汁（麥汁的理化指標見表1），均接種零代和一代酵母進行發(fā)酵。

表1　麥汁的理化指標Table 1 Physicochem ical indicators of wort

1.3.4檢測方法

定性分析采用頂空固相微萃取法（HS-SPME）氣相色譜檢測啤酒中高級醇、酯類和乙醛等揮發(fā)性風味物質。運用美國國家標準技術研究所（national institute of standard and technology，NIST）譜庫進行初步檢索，再結合文獻的保留指數(shù)進行對比，確認各香氣物質的化學組成。

定量分析采用內標法，內標物為4-甲基-2-戊醇。

樣品處理：在20 m L頂空進樣瓶中，加入氯化鈉3 g，注入10 m L事先預冷至約5℃的啤酒，移入0.1 m L質量濃度約5.000 mg/L的4-甲基-2-戊醇溶液，加蓋密封墊和鋁帽、壓緊，電磁攪拌15 min混勻。

萃取及進樣：將SPME裝置插入頂空進樣瓶，推出萃取頭，在（40±0.2）℃水浴中準確保溫30 min，退出萃取頭，將SPME裝置取出頂空進樣瓶，迅速插入GC進樣口，解吸5 min。

氣相色譜條件：初始溫度60℃，保持2 m in，以6℃/m in升至220℃，保持10 m in。載氣：高純氮氣，柱流速為1.0 m L/m in，不分流進樣；進樣口溫度220℃，檢測器溫度250℃。

2　結果與分析

2.1氣相色譜檢測啤酒中高級醇、酯類和乙醛的含量

通過氣相色譜（GC）檢測啤酒（采用基礎工藝釀造）中風味物質，獲得不同變量條件下高級醇、酯類和乙醛等含量變化情況。啤酒氣相色譜檢測結果見圖1及表2。

圖1　啤酒樣品揮發(fā)性風味物質的氣相色譜圖Fig.1 Gas chromatogram o f volatile flavor substances in beer sam ple

表2　啤酒樣品風味物質名稱及其保留時間Table 2 Nam es and reten tion tim e o f flavor substances in beer sam p le

圖2　發(fā)酵溫度對啤酒中高級醇（A）、酯類（B）、醇酯比（C）及乙醛（D）含量的影響Fig．2 Effec t of temperature on higher alcohols（A），esters（B），ratio of higher alcohols to esters（C），and acetaldehyde（D）content in beer

由圖1及表2可知，從啤酒樣品中鑒定出主要物質包括乙醛、醇類4種，酯類7種。

2.2發(fā)酵溫度對風味物質含量的影響

在其他工藝條件一致情況下，采用40%小麥芽、零代酵母、0.14 MPa發(fā)酵壓力，研究發(fā)酵溫度16℃、18℃和20℃對啤酒的高級醇、酯類和乙醛等風味物質的影響，結果如圖2所示。

圖2A可知，發(fā)酵溫度升高，正丙醇、異丁醇、異戊醇和苯乙醇等高級醇含量均增加，其中異戊醇增加最顯著。不同的是，SAERENS S M等［11］研究得到了發(fā)酵溫度升高顯著增加正丙醇含量，可能酵母菌種不同所致。圖2B可知，發(fā)酵溫度的升高顯著增加了乙酸乙酯和乙酸異戊酯含量，對其他酯類影響較小，導致酯類總量增加。有報道提出了發(fā)酵溫度引起高級醇含量增加促進了酯類的形成［12］，增加酯類含量。圖2C可知，總醇和總酯與發(fā)酵溫度呈正相關趨勢，而醇酯比卻表現(xiàn)出先小后大的趨勢，在18℃發(fā)酵時最小（約為2.02），最不上頭，因此最優(yōu)發(fā)酵溫度18℃。圖2D可知，乙醛與發(fā)酵溫度呈負相關趨勢，由于發(fā)酵前期大量產生的乙醛，隨著發(fā)酵的進行，受到乙醇脫氫酶Ⅰ作用而還原成乙醇［12-13］，所以發(fā)酵溫度升高促進酶活性，促進乙醛還原，乙醛含量自然減少。16～20℃發(fā)酵，乙醛含量均在4.5 mg/L以下（優(yōu)質啤酒的乙醛含量為2～8 mg/L［3，11］）不上頭。綜合考慮，選取18℃為最優(yōu)發(fā)酵溫度。

2.3發(fā)酵壓力對風味物質含量的影響

以40%小麥芽、零代酵母、20℃發(fā)酵及其他工藝條件不變?yōu)榛A，分別采取0.12 MPa、0.14 MPa和0.16 MPa保壓發(fā)酵，并維持各自壓力直到取樣檢測，結果見圖3。

圖3A、圖3B可知，發(fā)酵壓力的升高，正丙醇、異丁醇、異戊醇、苯乙醇等高級醇與乙酸乙酯、乙酸異戊酯等酯類含量均有所減少，其中異丁醇、異戊醇、乙酸乙酯、乙酸異戊酯變化顯著。主要是因為發(fā)酵壓力升高引起兩種變化。其一是酵母細胞數(shù)量減少，直接造成高級醇和酯類含量減少；其二是酵母的脫羧反應受到抑制，阻礙了高級醇和乙酰輔酶A（乙酸酯的前體）的合成，進而影響高級醇和乙酸乙酯、乙酸異戊酯等乙酸酯含量［12］。因此，總醇和總酯含量與發(fā)酵壓力呈負相關（見圖3C）。但是三種發(fā)酵壓力下醇酯比均在較低水平（2.00～2.25），可能是酵母狀態(tài)、特性所致。醇酯比在0.12 MPa條件下發(fā)酵時最?。s為2.01），最不引起頭痛。由圖3D可知，在0.12 MPa和0.14 MPa條件下的乙醛含量相等（約為2.75 mg/L），而在0.16 MPa條件下的乙醛含量開始略微增加（約為3 mg/L）。雖如此，在這三種壓力（0.12 MPa、0.14 MPa和0.16 MPa）條件下發(fā)酵的乙醛含量基本不變且均在較低水平，均不易導致頭痛。綜合考慮，選取0.12 MPa為最優(yōu)發(fā)酵壓力。

圖3　發(fā)酵壓力對高級醇（A）、酯類（B）、醇酯比（C）和乙醛（D）含量的影響。Fig．3 Effect o f pressure on higher alcohols（A），esters（B），alcohols to esters ratio（C），and acetaldehyde（D）content in beer

2.4酵母代數(shù)對風味物質含量的影響

根據(jù)國標GB 4927—2008《啤酒》［13］規(guī)定，小麥啤酒的小麥芽比例為40%以上。采用小麥芽比例為0和40%的11°P麥汁，均接種零代和一代酵母，20℃發(fā)酵、0.14 MPa保壓，其他工藝條件一致下，完成中試規(guī)模啤酒釀造，檢測啤酒中高級醇、酯類和乙醛的含量，結果見表3。

表3　酵母代數(shù)對風味物質含量的影響Table 3 Effec t of yeast genera tion on flavor substances content

由表3可知，40%小麥芽麥汁α-氨基酸態(tài)氮高于全大麥芽麥汁，歸因于小麥芽的蛋白質含量較高。α-氨基酸態(tài)氮是酵母生長代謝的主要氮源，影響啤酒的風味物質形成：通過Ehrlich途徑合成高級醇，進而一些高級醇與有機酸類聚合成酯類［5，12，14］。α-氨基酸態(tài)氮含量升高，必然導致高級醇和酯類合成而增加。對相同代數(shù)的酵母而言，40%小麥芽麥汁釀成啤酒中高級醇、酯類含量較高，而醇酯比差異極?。ㄏ啾热篼溠葵溨驘o小麥芽麥汁）。另外，對于這兩種不同成分麥汁，接種零代酵母發(fā)酵成的啤酒醇酯比較小、乙醛含量較低，最不易上頭（相比一代酵母）。經過一次啤酒生產的一代酵母發(fā)酵特性有所改變，表現(xiàn)出產高級醇能力增強、產酯、乙醛還原能力減弱等部分性狀衰退現(xiàn)象，說明了酵母菌種遺傳不穩(wěn)定。但也不是絕對的，酵母回收時間和方法也會影響到酵母的活性與特性［5］。因此，降低上面發(fā)酵小麥啤酒的醇酯比、乙醛的最優(yōu)酵母代數(shù)為零代。

3　結論

通過對上面發(fā)酵小麥啤酒中風味物質的檢測，確定了上面發(fā)酵啤酒酵母DM 303發(fā)酵的小麥啤酒風味物質的特點：高級醇含量較高，以異戊醇為主；酯類較豐富，以乙酸乙酯和乙酸異戊酯為主，產生濃郁香蕉香味；醇酯比較低（均在2.0～2.5之間）、乙醛含量較小（＜4 mg/L），不易上頭。雖然酵母DM 303的優(yōu)勢很明顯，但是可能存在遺傳衰退現(xiàn)象，不利于大生產，將進一步研究這種酵母的遺傳穩(wěn)定性問題和完善酵母回收方法。

通過對降低上面發(fā)酵小麥啤酒頭痛感的釀造條件優(yōu)化，確定了最優(yōu)發(fā)酵條件為發(fā)酵溫度18℃、發(fā)酵壓力0.12 MPa和零代酵母。

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Optim ization of top-fermented wheat beer brew ing technology to reduce headache

CUI Yunqian，YE Guochao，WEI Lipei，WEI Shixiong
（College of Bioengineering，Qilu University of Techno logy，Jinan 250353，China）

The main cause of headache after drinking beer is high ratio of higher alcohols to esters and high level of acetaldehyde.To reduce headache after drinking top-fermented wheat beer，the fermentation conditions were optim ized，and the flavor substances of higher alcohols，esters，and acetaldehyde were detected by gas chromatography.The result showed that the optimum fermentation conditions were as follow s：fermentation tem perature 18℃（alcohols to esters ratio 2.02，acetaldehyde content 3.51 mg/L），pressure 0.12 MPa（alcohols to esters ratio 2.01，acetaldehyde content 2.75 mg/L）and zero yeast generation（alcohols to esters ratio 2.20，acetaldehyde content 2.76 mg/L）.Under this condition，the alcohol to ester ratio of the fermented beer was 2.0-2.5，acetaldehyde content was less than 4 mg/L，which was not easy to cause headache.

top-fermented wheat beer；headache；alcohols to esters ratio；acetaldehyde

TS261．4

0254-5071（2016）05-0134-05

10．11882/j．issn．0254-5071．2016．05．028

2015-12-19

工業(yè)發(fā)酵微生物教育部重點實驗室（天津科技大學）開放基金項目（2011IM 002）

崔云前（1969-），男，副教授，博士，研究方向為現(xiàn)代啤酒釀造技術。